Ανάλυση Ισοστατικών ικτυωµάτων

Transcript

1 ΠΠΜ 220: Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι ιάλεξη 5 η και 6 η Ανάλυση Ισοστατικών ικτυωµάτων Τετάρτη,, 15, Παρασκευή, 17 Σεπτεµβρίου,, 2004 Πέτρος Κωµοδρόµος komodromos@ucy.ac.cy Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 1

2 ΠΡΟΣΚΛΗΣΗ Με την έναρξη της νέας ακαδηµαϊκής χρονιάς το ακαδηµαϊκό προσωπικό της Πολυτεχνικής Σχολής σας προσκαλεί σε δεξίωση γνωριµίας µε τους πρωτοετής φοιτητές και φοιτήτριες Τετάρτη 22 Σεπτεµβρίου 2004 Ώρα 6.30µµ Αίθουσα Τελετών Πανεπιστηµίου Κύπρου

3 1ο Ενδιάµεσο ιαγώνισµα Βαθµολογία 1ου ιαγωνίσµατος Στατικής Ανάλυσης Ι, Ελάχιστος: 0 Μέσος όρος: 70.3 Μέγιστος: 103 Βαθµός Φοιτητές Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 3

4 Θέµατα Εισαγωγή στα δικτυώµατα Θεωρήσεις Συνδέσεις Τύποι δικτυωµάτων Βαθµοί στατικής αοριστίας δικτυωµάτων Ανάλυση δικτυωµάτων Μέθοδος των κόµβων Ράβδοι µηδενικής δύναµης Μέθοδος των τοµών Σύνθετα δικτυώµατα Πολύπλοκα δικτυώµατα Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 4

5 Εισαγωγή στα δικτυώµατα Θεωρήσεις για δικτυώµατα: - χωρίς τριβή αρθρωτές συνδέσεις - κεντρικά συνδεόµενες ράβδοι - κοµβικά επιβαλλόµενα φορτία - ασήµαντο σχετικά ιδιοβάρος ράβδων αδυναµία µεταβίβασης ροπών µόνο αξονικές εφελκυστικές/θλιπτικές δυνάµεις οµοιόµορφες εφελκυστικές/θλιπτικές τάσεις βέλτιστη αξιοποίηση υλικού δυνατότητα κάλυψης µεγάλων ανοιγµάτων Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 5

6 Συνδέσεις ράβδων Κοχλιώσεις απευθείας µε χρήση ελάσµατος Συγκολλήσεις Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 6

7 Εγκάρσιες συνδέσεις - Συνδέσεις κάθετα στο επίπεδο ενός δικτυώµατος µε εγκάρσιες ράβδους Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 7

8 Τύποι δικτυωµάτων Χωρική κατηγοριοποίηση επίπεδα δικτυώµατα (δισδιάστατα) χωρικά δικτυώµατα (τρισδιάστατα) Κατηγοριοποίηση ανάλογα µε πολυπλοκότητα απλά: προκύπτουν από τη διαδοχική προσθήκη για κάθε δύο ράβδους ενός επιπλέον κόµβου στο βασικό δικτύωµα τρίγωνο σύνθετα: συνδέοντας δύο η περισσότερα απλά δικτυώµατα πολύπλοκα: ούτε απλά αλλά ούτε σύνθετα δικτυώµατα Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 8

9 Ισοστατικότητα και βαθµοί στατικής αοριστίας δικτυωµάτων Ρ + Α < 2 Κ µηχανισµός ή χαλαρό δικτύωµα ισοστατικός και ενδεχοµένως σταθερό δικτύωµα Ρ + Α = 2 Κ υπερστατικό και ενδεχοµένως σταθερό δικτύωµα Ρ + Α > 2 Κ ( βαθµός στατικής αοριστίας: Ρ + Α - 2 Κ ) Ρ: άθροισµα των ράβδων Α: άθροισµα των αγνώστων αντιδράσεων Κ: αριθµός κόµβων Σταθερότητα δικτυώµατος Εξωτερική: πρέπει οι αντιδράσεις να µην: - συντρέχουν σε ένα σηµείο - είναι παράλληλες Εσωτερική: κανένας κόµβος να µην µπορεί να µετακινηθεί ελεύθερα (πραγµατοποιώντας κίνηση στερεού σώµατος) Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 9

10 Παραδείγµατα διερεύνησης της υπερστατικότητας Ρ=5, A=3, K=4 ισοστατικό σταθερό Ρ=9, A=3, K=6 ισοστατικό σταθερό συντρέχουσες στηρίξεις µηχανισµός εσωτερικά ασταθές µηχανισµός Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 10

11 µέθοδος των κόµβων: Ανάλυση δικτυωµάτων αποµόνωση και διατύπωση των εξισώσεων ισορροπίας ενός κόµβου χρησιµοποιείται όταν απαιτείται, και εφόσον είναι δυνατή µε αυτή τη µέθοδο, η εύρεση των δυνάµεων όλων των ράβδων µέθοδος των τοµών: ισορροπία ενός τµήµατος του δικτυώµατος από νοητή τοµή χρησιµοποιείται για τον υπολογισµό των δυνάµεων ορισµένων µόνο ράβδων ή όταν δεν είναι δυνατή η εύρεση όλων των δυνάµεων µε τη χρήση της µεθόδου των κόµβων (π.χ. σύνθετα δικτυώµατα) συνδυασµός των δύο µεθόδων για την ευκολότερη ανάλυση κάποιων ισοστατικών δικτυωµάτων Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 11

12 ΕΣ δικτυώµατος ΕΣ τµήµατος δικτυώµατος ΕΣ κόµβου δικτυώµατος Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 12

13 ΕΣ ράβδου δικτυώµατος ΕΣ δικτυώµατος Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 13

14 Μέθοδος των κόµβων Για να ισορροπεί ένα δικτύωµα κάθε κόµβος του πρέπει να ισορροπεί δύο εξισώσεις ισορροπίας για κάθε κόµβο Αυθαίρετη προσήµανση Συνήθως, αν δεν µπορούµε να εκτιµήσουµε την ορθή φορά: εφελκυστικές: οι δυνάµεις των ράβδων οι οποίες εφαρµοζόµενες πάνω στον κόµβο στον οποίο συντρέχουν φαίνονται να τραβάνε τον κόµβο θλιπτικές: δυνάµεις οι οποίες εφαρµοζόµενες πάνω στον κόµβο φαίνονται να πιέζουν τον κόµβο Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 14

15 Παράδειγµα-1 Εξισώσεις ισορροπίας: υπολογισµός των αντιδράσεων, στις στηρίξεις 15

16 Παράδειγµα-1 1 (συν( συν.) Ισορροπία κόµβου 3: θεωρώντας θλιπτική δύναµη Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 16

17 Ράβδοι µηδενικής δύναµης Αφόρτιστες ράβδοι: µηδενικές αξονικές δυνάµεις υπό κάποιες φορτίσεις αν σε ένα κόµβο ο οποίος δεν δέχεται οποιοδήποτε εξωτερικό φορτίο, ή αντίδραση από στηρίξεις, συντρέχουν µόνο δύο ράβδοι τότε οι αξονικές δυνάµεις των ράβδων αυτών είναι απαραίτητα µηδενικές. αν σε ένα κόµβο ο οποίος δεν δέχεται οποιοδήποτε εξωτερικό φορτίο, ή αντίδραση από στηρίξεις, συντρέχουν τρεις ράβδοι δύο εκ των οποίων είναι συγγραµµικές τότε η αξονική δύναµη της τρίτης ράβδου, η οποία δεν είναι συγγραµµική, είναι απαραίτητα µηδενική. Σηµαντική απλοποίηση της ανάλυσης ενός δικτυώµατος µε τον προσδιορισµό τυχόν αφόρτιστων ράβδων Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 17

18 Για να ισορροπεί ένα δικτύωµα Μέθοδος των τοµών (Ritter) Για τον υπολογισµό των δυνάµεων συγκεκριµένων ράβδων κάθε τµήµα του πρέπει να ισορροπεί τρεις εξισώσεις ισορροπίας για κάθε τµήµα Προτιµότερο να µην τέµνουµε περισσότερες από 3 ράβδους άγνωστων δυνάµεων αποφυγή σχηµατισµού και επίλυσης συστηµάτων γραµµικών εξισώσεων Αν τέµνονται τρεις ράβδοι µε άγνωστες δυνάµεις, οι δύο να είναι παράλληλες υπολογισµός τρίτης ράβδου από την εξίσωση ισορροπίας στην άλλη διεύθυνση Αν τέµνονται τρεις ράβδοι µε άγνωστες δυνάµεις υπολογισµός της µιας ράβδου να υπολογιστεί από την εξίσωση ροπής ως προς το σηµείο στο οποίο συντρέχουν οι άλλες δύο ράβδοι. 18

19 Παράδειγµα-2 Εξισώσεις ισορροπίας στο ΕΣ υπολογισµός αντιδράσεων Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 19

20 Παράδειγµα-2 2 (συν( συν.) Τοµή στο µέσο του δικτυώµατος ΕΣ αριστερού τµήµατος χρήση εξισώσεων ισορροπίας Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 20

21 Παράδειγµα-2 2 (συν( συν.) Τοµή στον κόµβο ΕΣ κόµβου χρήση εξισώσεων ισορροπίας Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 21

25 Παράδειγµα-2 2 (συν( συν.) Αξονικές δυνάµεις ράβδων (µε αρνητικό πρόσηµο υποδηλώνεται θλιπτική δύναµη) Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 25

26 Σύνθετα δικτυώµατα Σχηµατίζονται από τη σύνδεση απλών δικτυωµάτων ιαφορετική διαδικασία επίλυσης ανάλογα µε τον τρόπο σύνδεσης: o Σύνδεση απλών δικτυωµάτων µε ένα κοινό σηµείο και µια κοινή ράβδο πρέπει να υπολογιστούν οι αντιδράσεις στις στηρίξεις µε βάση τις εξισώσεις ισορροπίας ολόκληρου του φορέα ακολούθως, µε χρήση της µεθόδου των τοµών γίνεται τοµή της ράβδου που συνδέει τα δύο απλά δικτυώµατα και υπολογίζεται η αντίστοιχη δύναµη τότε είναι δυνατή η χρήση της µεθόδου των κόµβων για την πλήρη επίλυση των δύο απλών δικτυωµάτων Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 26

27 Σύνθετα δικτυώµατα (συν.) o Σύνδεση απλών δικτυωµάτων µε τρεις µη παράλληλες και µη συντρέχουσες ράβδους πρέπει να υπολογιστούν οι αντιδράσεις στις στηρίξεις µε βάση τις εξισώσεις ισορροπίας ολόκληρου του φορέα µε χρήση της µεθόδου των τοµών γίνονται τοµές των ράβδων που συνδέουν τα δύο απλά δικτυώµατα και υπολογίζονται οι αντίστοιχες δυνάµεις τότε είναι δυνατή η χρήση της µεθόδου των κόµβων για την περαιτέρω επίλυση των δύο απλών δικτυωµάτων Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 27

28 Σύνθετα δικτυώµατα (συν.) o Αυτά τα σύνθετα δικτυώµατα αποτελούνται από απλά δικτυώµατα τα οποία ουσιαστικά αντικαθιστούν τις κύριες ράβδους του δικτυώµατος τα δικτυώµατα αυτά µπορούν να επιλυθούν µε συνδυασµό των µεθόδων των κόµβων και των τοµών. επιπλέον, µπορούν να επιλυθούν σαν απλά δικτυώµατα θεωρώντας νοητά τα απλά δικτυώµατα σαν απλές ράβδους και ακολούθως µε δεδοµένες τις δυνάµεις που ασκούνται στα άκρα των επιµέρους απλών δικτυωµάτων µπορούν να επιλυθούν τα τελευταία µε τη µέθοδο των κόµβων. Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 28

29 Πολύπλοκα (ή ανώµαλα) δικτυώµατα ικτυώµατα τα οποία δεν είναι ούτε απλά αλλά ούτε σύνθετα Για την επίλυση ενός πολύπλοκου ισοστατικού δικτυώµατος µπορεί να χρησιµοποιηθεί η µέθοδος των κόµβων µε την οποία για κάθε κόµβο έχοµε δύο εξισώσεις ισορροπίας. έτσι προκύπτει ένα σύστηµα γραµµικών εξισώσεων µε διαστάσεις ίσες µε δύο φορές τον αριθµό των κόµβων, το οποίο µπορεί να επιλυθεί αριθµητικά µε χρήση Η/Υ για να προσδιορίσουµε τις άγνωστες δυνάµεις των ράβδων. Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 29

30 Χωρικά δικτυώµατα τρισδιάστατοι φορείς το απλούστερο σταθερό δικτύωµα που µπορεί να υπάρχει είναι το τετράεδρο το οποίο µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως βασική µονάδα για το σχηµατισµό χωρικών δικτυωµάτων, προσθέτοντας διαδοχικά για κάθε επιπλέον κόµβο τρεις ράβδους Ισορροπία κόµβων: Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 30

31 Ισοστατικότητα χωρικών δικτυωµάτων Ρ + Α < 3 Κ µηχανισµός ή χαλαρό δικτύωµα Ρ + Α = 3 Κ ισοστατικός και ενδεχοµένως σταθερό δικτύωµα Ρ + Α > 3 Κ υπερστατικό και ενδεχοµένως σταθερό δικτύωµα ( βαθµός στατικής αοριστίας: Ρ + Α - 3 Κ ) Ρ: άθροισµα των ράβδων Α: άθροισµα των αγνώστων αντιδράσεων Κ: αριθµός κόµβων Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 31

32 Χρήσιµες σχέσεις για χωρικά δικτυώµατα Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 32

33 Μέθοδοι επίλυσης ισοστατικών χωρικών δικτυωµάτων Μέθοδος κόµβων Μέθοδος τοµών Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 33

34 Ράβδοι µηδενικής δύναµης χωρικών δικτυωµάτων Αφόρτιστες ράβδοι: µηδενικές αξονικές δυνάµεις υπό κάποιες φορτίσεις Αν όλες οι ράβδοι που καταλήγουν σε ένα κόµβο εκτός από µία ανήκουν στο ίδιο επίπεδο και δεν υπάρχουν ασκούµενα φορτία στον κόµβο, τότε η ράβδος η οποία επιπέδου θα πρέπει να έχει µηδενική αξονική δύναµη. οποία είναι εξωτερικά είναι εκτός Αν όλες οι ράβδοι που καταλήγουν σε ένα κόµβο εκτός από δύο έχουν βρεθεί να έχει είναι αφόρτιστες, δηλαδή να έχουν µηδενική αξονική δύναµη, τότε οι δύο εναποµείνασες ράβδοι εάν δεν είναι συγγραµµικές πρέπει να είναι και αυτές αφόρτιστες. Σηµαντική απλοποίηση της ανάλυσης ενός δικτυώµατος µε τον προσδιορισµό τυχόν αφόρτιστων ράβδων Στατική Ανάλυση των Κατασκευών Ι 34