2005C16wyklad 11i12 nr 04


Mechanika Budowli (C16) Wykład Marek Krzysztof Jasina
11. Stopień statycznej niewyznaczalności
Układ geometrycznie zmienny wykazuje duże (dowolne) przemieszczenia przy pewnym
dowolnie małym obciążeniu:
a) mechanizm,
...
Rys. 11.1
b) chwilowa geometryczna zmienność.
...
Rys. 11.2
11.1. Warunek geometrycznej niezmienności układu
Dzielimy układ myślowo na tarcze sztywne - otwarte ciągi sztywno-połączonych
elementów.
Oznaczenia:
r - liczba (suma) reakcji zewnętrznych i wewnętrznych (między-
elementowych) układu podzielonego myślowo na części zwane tarczami
sztywnymi.  ciąg  otwartych sztywno-połączonych elementów,
e - liczba dostępnych równań równowagi.
http://www.okno.pg.gda.pl  45  mjasina@pg.gda.pl
Mechanika Budowli (C16) Wykład Marek Krzysztof Jasina
Statyczna niewyznaczalność:
r > e - gdy układ jest statycznie niewyznaczalny,
r = e - gdy układ jest statycznie wyznaczalny,
r < e - gdy układ jest kinematycznie zmienny.
11.2. Ramy płaskie.
Dla każdej tarczy możemy zapisać trzy równania równowagi:
"P = 0,
ix
= 0, (11.1)
"Piy
"M = 0.
io
Stopień statycznej niewyznaczalności płaskiego układu ramowego można wyznaczyć ze
wzoru
n = r - e = r - 3t , (11.2)
gdzie t oznacza liczbę tarcz.
11.3. Kratownice płaskie.
W każdym węzle kratownicy możemy zapisać dwa równania równowagi
"P = 0,
ix
(11.3)
"P = 0.
iy
Stopień statycznej niewyznaczalności kratownicy płaskiej można wyznaczyć ze wzoru
n = le + r - 2lw , (11.4)
gdzie le oznacza liczbę prętów, r liczbę reakcji a lw jest liczbą węzłów kratownicy.
http://www.okno.pg.gda.pl  46  mjasina@pg.gda.pl
Mechanika Budowli (C16) Wykład Marek Krzysztof Jasina
12. Metoda sił
Metodę sił zapoczątkowały prace J.C. Maxwella [1864] i O. Mohra [1875] dotyczące
obliczeń statycznie niewyznaczalnych kratownic mostowych.
U podstaw metody sił leży znany z mechaniki ogólnej aksjomat więzów, który
mówi, że:
Jeśli układ jest w równowadze, to odrzucenie dowolnego więzu i zastąpienie go
reakcją tego więzu nie zmienia stanu równowagi ciała.
Statycznie niewyznaczalny, kinematycznie niezmienny układ o stopniu statycznej
niewyznaczalności n > 0 możemy przekształcić przez odrzucenie n więzów
(zewnętrznych lub wewnętrznych) i zastąpieniem ich nieznanymi reakcjami
Xi (i = 1, 2, & , n) .
W wyniku tego zabiegu otrzymujemy układ statycznie wyznaczalny (pozbawiony
pewnych n więzów), nazywany dalej układem podstawowym metody sił  (UPMS),
który aby odpowiadał układowi wyjściowemu obciążony być musi (oprócz obciążenia
zewnętrznego) dodatkowymi siłami Xi zwanymi nadliczbowymi metody sił.
W tak utworzonym, pozbawionym pewnych więzów, układzie podstawowym mogą
pojawić się różne od zera przemieszczenia i `" 0 odpowiednio w miejscu i na kierunku
odrzuconych więzów.
W układzie pierwotnym (wyjściowym), ze względu na istnienie więzów,
przemieszczenia te nie występują (równe są zeru) i = 0 .
Otrzymane w powyższy sposób niewiadome nadliczbowe siły Xi są niewiadomymi
metody sił.
Niewiadome te można wyznaczyć z warunków zgodności przemieszczeń układów
pierwotnego - statycznie niewyznaczalnego oraz statycznie wyznaczalnego (UPMS),
przy założeniu, że układ podstawowy poddany jest łącznemu działaniu danych obciążeń
zewnętrznych oraz sił nadliczbowych Xi .
Siły nadliczbowe zwane są czasem wielkościami hiperestatycznymi.
http://www.okno.pg.gda.pl  47  mjasina@pg.gda.pl
Mechanika Budowli (C16) Wykład Marek Krzysztof Jasina
Warunki zgodności przemieszczeń można zapisać w poniższej postaci
i (X1, X2, & , Xn , p) = 0 , (i = 1, 2, & , n) , (12.1)
gdzie p - oznacza wpływ danego obciążenia zewnętrznego.
Przedstawiona powyżej idea metody sił oddaje jej nazwę bowiem niewiadomymi
metody są właśnie siły reakcji w pewnych usuniętych więzach wewnętrznych bądz
zewnętrznych, które odrzucono tworząc statycznie wyznaczalny układ podstawowy
metody sił.
Poniżej omówimy szczegółowy opis metody sił i zapiszemy jej algorytm.
Przemieszczenia i , które wyznaczane będą celem zapisania warunku zgodności
przemieszczeń obliczane będą przy zastosowaniu twierdzenia o pracy wirtualnej z
uwzględnieniem jedynie wpływu zginania.
Zgodnie ze wzorem Maxwella-Mohra poszukiwane sumaryczne przemieszczenie i
ze wzoru (12.1) otrzymujemy stosując zależność
i = i1 + i2 +& + in + ip =
Mi M1 Mi M2 Mi Mn Mi M p
= ds + ds +& + ds + ds = (12.2)
+"+" +"+"
EI EI EI EI
MM
=Ł ds
+"
EI
gdzie symbol Ł oznacza sumowanie po 1, 2, & , n oraz p czyli od obciążeń
X1, X2 , & , Xn oraz p .
http://www.okno.pg.gda.pl  48  mjasina@pg.gda.pl
Mechanika Budowli (C16) Wykład Marek Krzysztof Jasina
Przedmiotem rozważań będzie rama1 przedstawiona na rysunku 12.1.
Rys. 12.1 Układ wyjściowy
Pierwszym krokiem rozwiązania układu, po określeniu stopnia statycznej
niewyznaczalności (w tym przypadku n = 2 ) jest przyjęcie układu podstawowego
metody sił (UPMS), który otrzymujemy przez odrzucenie więzów (zob. rys 12.2) w tym
przypadku zarówno więzu wewnętrznego (1) jak i zewnętrznego (2) .
UPMS utworzono poprzez odrzucenie więzów równoznaczne z wstawieniem
przegubów w węzłach (1) i (B) .
Na rysunku 12.2 zaznaczono wielkości nadliczbowe:
reakcję wewnętrzną w węzle (1) - moment zginający w przekroju (1) - X1 ;
reakcję podporową w węzle (B) - moment podporowy w węzle (B) - X2 .
Warunek równoważności układu wyjściowego i podstawowego czyli warunek
zgodności (12.1) wymaga, by w tym drugim, każde z przemieszczeń uogólnionych i
wywołane łącznym działaniem obciążenia zewnętrznego p oraz siły X1 i X2 było
równe zeru i = ip + i1 + i2 = 0 (porównać ze wzorem (12.2)).
Należy zauważyć, że obciążeniem wirtualnym od którego należy wyznaczyć wykres
momentów uwzględniony we wzorze (12.2) są siły X1 = 1, X2 = 1 .
1
Zaczerpnięto z Mechanika Budowli  ujęcie komputerowe, Tom 1, Arkady, 1991.
http://www.okno.pg.gda.pl  49  mjasina@pg.gda.pl
Mechanika Budowli (C16) Wykład Marek Krzysztof Jasina
Wystarczy zatem rozparzyć następujące obciążenia UPMS:
- stan obciążenia zewnętrznego p wywołującego przemieszczenia ip ,
- wirtualne stany obciążenia Xk = 1 wywołujące przemieszczenia ik .
Rys. 12.2 Układ podstawowy metody sił (UPMS)
Rys. 12.3 UPMS - stan obciążenia zewnętrznego p
)
Rys. 12.4 UPMS  wykres momentów od obciążenia zewnętrznego p
http://www.okno.pg.gda.pl  50  mjasina@pg.gda.pl
Mechanika Budowli (C16) Wykład Marek Krzysztof Jasina
)
Rys 12.5 UPMS - stan obciążenia jednostkową nadliczbową X1 = 1
)
Rys. 12.6 UPMS  wykres momentów od obciążenia jednostkową nadliczbową X1 = 1
http://www.okno.pg.gda.pl  51  mjasina@pg.gda.pl
Mechanika Budowli (C16) Wykład Marek Krzysztof Jasina
Rys. 12.7 UPMS - stan obciążenia jednostkową nadliczbową X2 = 1
Rys. 12.8 UPMS  wykres momentów od obciążenia jednostkową nadliczbową X2 = 1
http://www.okno.pg.gda.pl  52  mjasina@pg.gda.pl
Mechanika Budowli (C16) Wykład Marek Krzysztof Jasina
Zgodnie ze wzorem Maxwella-Mohra (porównaj (12.2)) poszukiwane przemieszczenie
Mi Mk
i otrzymujemy stosując zależność ik = ds
+"
EI
243
2
EI11 = ds = & =
1
+"M
54
132
EI12 = EI21 = M2ds = & =
1
+"M
54
202
2
EI22 = ds = & =
2
+"M
54
20520
EI1p = M ds = & =
1 p
+"M
54
16380
EI2 p = M ds = & =
2 p
+"M
54
Na rysunkach 12.3, 12.5, 12.7 pokazano geometryczną interpretację (przemieszczeń
uogólnionych) współczynników 11 , 12 , 21 , 22 , 1p , 2 p .
Układ równań zgodności przemieszczeń zbudowany jest na drodze superpozycji
wpływów w wyrażeniu na i pochodzących od poszczególnych nadliczbowych i od
obciążenia zewnętrznego (zgodnie z (12.1)i (12.2)) można zapisać
1 = X1 "11 + X2 "12 + 1 p = 0
(12.3)
2 = X1 "21 + X2 "22 + 2 p = 0
a w postaci macierzowej, po podstawieniu wartości liczbowych
243 132 X1 20520 0
Ą#ń# Ą# ń# Ą# ń# Ą# ń#
+= (12.4)
ó#132 202Ą# ó#X Ą# ó#16380Ą# ó#0Ą#
Ł#Ś# Ł# 2 Ś# Ł# Ś# Ł# Ś#
Po rozwiązaniu powyższego otrzymujemy: X1 = -62,63 [kNm] , X2 = -40,16 [kNm] .
Wartości wybranych wielkości statycznych obliczamy przez sumowanie
(przedstawionych na rysunkach 12.3-12.8) rozwiązań: stanu p + stanu (X1 = 1) i X1
+ stanu (X2 = 1) i X2 zgodnie z poniższym przepisem.
R = X1 " R1 + X2 " R2 + Rp
(12.5)
M = X1 " M1 + X2 " M2 + M
p
http://www.okno.pg.gda.pl  53  mjasina@pg.gda.pl
Mechanika Budowli (C16) Wykład Marek Krzysztof Jasina
Jeżeli na etapie rozwiązania UPMS od obciążenia zewnętrznego p oraz od po-
szczególnych stanów obciążenia X1 = 1, X2 = 1 wyznaczymy wykresy sił normalnych
N i sił tnących T to analogicznie można wyznaczyć
N = X1 " N1 + X2 " N2 + N
p
(12.6)
T = X1 "T1 + X2 "T2 + Tp
I tak na przykład momenty zginające w charakterystycznych przekrojach wynoszą
M1 = X1 = -62,63 [kNm] ,
2
M2 = 120 +1"(-62,63) + "(-40,16) = 30,60 [kNm] ,
3
M = X2 = -40,16 [kNm] .
B
Ostateczne wykresy sił przekrojowych przedstawiają rysunki 12.9, 12.10, 12.11.
Innym sposobem, niż zaproponowanym wcześniej (we wzorach (12.5) i (12.6)), na
wyznaczenie reakcji i sił wewnętrznych jest zastosowanie wprost superpozycji
wpływów pochodzących od poszczególnych nadliczbowych i od obciążenia
zewnętrznego.
Można zatem obciążyć UPMS sumarycznym obciążeniem zewnętrznym
Ł= p + X1 +X2 i rozwiązać układ wyznaczając reakcje R i wykresy sił
Ł
wewnętrznych NŁ , MŁ , TŁ od tak przyjętego obciążenia Ł .
http://www.okno.pg.gda.pl  54  mjasina@pg.gda.pl
Mechanika Budowli (C16) Wykład Marek Krzysztof Jasina
Rys. 12.9 Układ wyjściowy  wykres momentów
Rys. 12.10 Układ wyjściowy  wykres sił tnących
Rys. 12.11 Układ wyjściowy  wykres sił normalnych
http://www.okno.pg.gda.pl  55  mjasina@pg.gda.pl
Mechanika Budowli (C16) Wykład Marek Krzysztof Jasina
12.1. Algorytm metody sił
(1) Obliczyć stopień statycznej niewyznaczalności układu n > 0 .
Przekształcić statycznie niewyznaczalny, kinematycznie niezmienny układ o stopniu
statycznej niewyznaczalności n w układ podstawowy metody sił (UPMS), przez
odrzucenie n więzów (zewnętrznych lub wewnętrznych) i zastąpienie ich nieznanymi
reakcjami w usuniętych więzach Xi , (i = 1, 2, & , n) zwanymi nadliczbowymi metody
sił.
(2) W tak utworzonym, pozbawionym określonych więzów, układzie
podstawowym obliczyć różne od zera przemieszczenia i odpowiednio w miejscu i na
kierunku odrzuconych więzów.
(2a) Przemieszczenia ip od obciążenia zewnętrznego p .
(2b) Przemieszczenia ik od poszczególnych obciążeń Xk = 1 przy X = 0 gdy
j
( j `" k) dla k = 1, 2, & , n .
Przemieszczenia ip i ik można wyznaczyć zgodnie ze wzorem Maxwella-Mohra,
przy uwzględnieniu jedynie wpływu momentów zginających, stosując zależność
Mi Mk
ik = ds (12.7)
+"
EI
co wymaga wyznaczenia wykresów sił wewnętrznych w UPMS od poszczególnych
stanów obciążenia Xk = 1 , k = 1, 2, & , n .
http://www.okno.pg.gda.pl  56  mjasina@pg.gda.pl
Mechanika Budowli (C16) Wykład Marek Krzysztof Jasina
(3) Po wyznaczeniu przemieszczeń ip i ik należy rozwiązać kanoniczny układ
równań metody sił (układ równań zgodności przemieszczeń) zbudowany na drodze
superpozycji wpływów w wyrażeniu na i pochodzących od poszczególnych nadlicz-
bowych i od obciążenia zewnętrznego
1 = X1 "11 + X2 "12 +& + Xn "1n + 1p = 0
2 = X1 "21 + X2 "22 +& + Xn "2n + 2 p = 0
(12.8)
& & & & & & & & & & & & & & & & &
n = X1 "n1 + X2 "n2 +& + Xn "nn + np = 0
(4) Po rozwiązaniu układu równań kanonicznych i wyznaczeniu wartości sił nad-
liczbowych Xi można wyznaczyć ostateczne wartości, interesujących wielkości sta-
tycznych np. reakcje R i wykresy sił wewnętrznych N , M , T od zadanego obciąże-
nia.
Wartości wybranych wielkości statycznych oblicza się przez sumowanie wyników po-
szczególnych rozwiązań p + (Xk = 1) i Xk k = 1, 2, & , n zgodnie z poniższym przepi-
sem.
R = X1 " R1 + X2 " R2 + Rp
N = X1 " N1 + X2 " N2 + Np
(12.9)
M = X1 " M1 + X2 " M2 + M
p
T = X1 "T1 + X2 "T2 + Tp
Innym sposobem, niż zaproponowany wyżej, na wyznaczenie reakcji i sił wewnętrz-
nych jest zastosowanie wprost superpozycji wpływów pochodzących od poszczegól-
nych nadliczbowych i od obciążenia zewnętrznego.
Można zatem obciążyć UPMS sumarycznym obciążeniem zewnętrznym
Ł= p + X1 + X2 +& + Xn (12.10)
a następnie rozwiązać układ wyznaczając reakcje R i wykresy sił wewnętrznych NŁ ,
Ł
MŁ , TŁ od tak przyjętego obciążenia Ł .
http://www.okno.pg.gda.pl  57  mjasina@pg.gda.pl
Mechanika Budowli (C16) Wykład Marek Krzysztof Jasina
12.2. Uwagi do algorytmu metody sił
a) Układ podstawowy metody sił (UPMS) należy dobrać kierując się zasadą
minimalizowania obliczeń.
b) Przemieszczenia ip i ik najczęściej wyznacza się zgodnie ze wzorem Maxwel-
la-Mohra, jednak niekiedy wartości poszukiwanych przemieszczeń można wyzna-
czyć bez tego typu obliczeń np. odczytując je z odpowiednich tabel zamieszczonych
w literaturze.
c) Przy pominięciu odkształceń postaciowych (wpływu sił poprzecznych (T ) ) i przy
uwzględnieniu przemieszczeń (osiadania) podpór (") , reakcji podpór sprężystych
(S) , obciążeń temperaturą (t) , można zapisać poniższą zależność.
Ni N Mi M
p p
1i ip + "r = ds + ds +
"R EI
ri
+"+"
EA
r
ll
Si Sp
++ (12.11)
"
ks
s
ąt
+ Ni ąt t0 ds + (td - tg ) ds
i
+"+"M h
ll
d) Każde z równań (12.8) wyraża warunek zgodności przemieszczeń układu wyjścio-
wego i układu podstawowego. Układ równań kanonicznych wygodniej jest przed-
stawiać w postaci macierzowej.
Uwaga: można, w łatwy sposób, dokonać geometrycznej interpretacji poszczególnych
kolumn macierzy podatności D .
1p Ą# ń#
11 12 & 1n X1 Ą# ń# 0
Ą#ń# Ą# ń#
ó# Ą#
ó# Ą#
2 p ó#0Ą#
21 22 & 2n Ą# ó# X
2
ó# Ą#
ó#Ą# ó# Ą# ó# Ą#
+ = (12.12)
ó#Ą# ó# Ą# . ó# Ą#
. . . .ó# Ą# .
ó# Ą#
ó#Ą# ó# Ą#
np ó# Ą#
n1 n2 & nn Ś# Ł# Xn Ś# ó# Ą# Ł#0Ś#
Ł#
Ł# Ś#
lub w postaci macierzowej
DX + Dp = 0 (12.13)
gdzie D jest z definicji macierzą podatności układu podstawowego względem zbioru
sił Xi (względem wektora X ).
Uwaga: jeśli układ obciążony jest kilkoma schematami obciążeń zewnętrznych to w
równaniu (12.12) zmienia się jedynie wektor Dp natomiast macierz podatności jest z
definicji taka sama.
http://www.okno.pg.gda.pl  58  mjasina@pg.gda.pl


Wyszukiwarka