1. Ανασκόπηση Μεθόδων Ευκαμψίας (δυνάμεων)

Transcript

1 ΠΠΜ 325: Ανάλυση Κατασκευών με Η/Υ 1. Ανασκόπηση Μεθόδων Ευκαμψίας (δυνάμεων) Εαρινό εξάμηνο 2015 Πέτρος Κωμοδρόμος Πέτρος Κωμοδρόμος 1

2 Θέματα Μέθοδος δυνάμεων ή ευκαμψίας Ανάλυση δικτυωμάτων Ανάλυση ισοστατικών δικτυωμάτων Ανάλυση υπερστατικών δικτυωμάτων Ανάλυση δοκών και πλαισίων Ανάλυση ισοστατικών δοκών και πλαισίων Ανάλυση υπερστατικών δοκών και πλαισίων Χρήση συμπυκνωμένων μητρώων Ανάλυση μικτών κατασκευών με τη μέθοδο ευκαμψίας Πέτρος Κωμοδρόμος 2

3 Σύγχρονη στατική και δυναμική ανάλυση των κατασκευών στηρίζεται σε μεθόδους ανάλυσης με μητρώα: συστηματική επίλυση κατασκευών με γενικό τρόπο αξιοποίηση ισχύος Η/Υ δυνατότητα επίλυσης πολύπλοκων κατασκευών αποφυγή αναγκαίων και ανακριβών προσεγγίσεων σημαντική μείωση κόστους ανάλυσης ακρίβεια αποτελεσμάτων ταχύτατη επίλυση Πέτρος Κωμοδρόμος 3

4 Παράγοντες που επέτρεψαν τη χρήση σύγχρονων μεθόδων ανάλυσης των κατασκευών ανάπτυξη μεθόδων ανάλυσης με μητρώα γνωστές πριν από την εμφάνιση των Η/Υ ανάπτυξη μεθόδων αριθμητικής ανάλυσης (αριθμητικές μέθοδοι) επίλυση γραμμικών συστημάτων εξισώσεων ολοκλήρωση διαφορικών εξισώσεων. κ.λπ. ραγδαία ανάπτυξη Η/Υ και μείωση υπολογιστικού κόστους ανάπτυξη και χρήση γλωσσών προγραμματισμού Πέτρος Κωμοδρόμος 4

5 Χρήση μεθόδου των δυνάμεων για μεγαλύτερους βαθμούς στατικής αοριστίας Πέτρος Κωμοδρόμος 5

6 Πέτρος Κωμοδρόμος 6

7 Σύγχρονες μέθοδοι ανάλυσης κατασκευών μέθοδος των δυνάμεων ή ευκαμψίας oι άγνωστοι στις σχηματιζόμενες εξισώσεις είναι δυνάμεις και ροπές μέθοδος των μετακινήσεων ή δυσκαμψίας oι άγνωστοι στις σχηματιζόμενες εξισώσεις είναι μετακινήσεις Πέτρος Κωμοδρόμος 7

8 Γενικευμένη μέθοδος των δυνάμεων ή ευκαμψίας βασίζεται στα μητρώα ευκαμψίας των επιμέρους μελών μιας κατασκευής τα οποία συνδυάζονται, χρησιμοποιώντας κατάλληλα μητρώα μετασχηματισμών, ώστε να σχηματιστεί το μητρώο ευκαμψίας F της κατασκευής χρήσιμη για επιλύσεις απλών προβλημάτων με το χέρι δύσκολη αυτοματοποίηση και προγραμματισμός της μεθόδου ο τρόπος και η διαδικασία επίλυσης ενός φορέα με τη μέθοδο ευκαμψίας διαφέρει ανάλογα με το αν ο φορέας είναι ισοστατικός ή υπερστατικός μπορούν να γίνουν διαφορετικές επιλογές στον καθορισμό των υπερστατικών μεγεθών Πέτρος Κωμοδρόμος 8

9 Ανάλυση ισοστατικών δικτυωμάτων με τη γενικευμένη μέθοδο δυνάμεων ή ευκαμψίας Χωρίζοντας την κατασκευή σε επιμέρους μέλη και κόμβους στους οποίους συνδέεται, καθορίζονται οι σχέσεις δυνάμεων-μετακινήσεων για τους διαφορετικούς τύπους μελών ή στοιχείων. Σχέση δύναμης-μετακίνησης που χαρακτηρίζει μία ράβδο δικτυώματος: ΔL L N A E U=ΔL U=ΔL Α, Ε R=Ν R=Ν Α, Ε R=Ν R=Ν L L Πέτρος Κωμοδρόμος 9

10 Συνήθη διανύσματα μεθόδου δυνάμεων ή ευκαμψίας s : εντατικά μεγέθη στα άκρα των μελών, σύμφωνα με το τοπικό σύστημα συντεταγμένων του μέλους u : σχετικές μετακινήσεις των άκρων των μελών, σύμφωνα με το τοπικό σύστημα συντεταγμένων του μέλους R : επικόμβιες δυνάμεις, ή/και ροπές, σύμφωνα με το απόλυτο σύστημα συντεταγμένων U : μετακινήσεις κόμβων, σύμφωνα με το απόλυτο σύστημα συντεταγμένων Πέτρος Κωμοδρόμος 10

11 Διανύσματα μεθόδου δυνάμεων για δικτυώματα s : αξονική δύναμη στους κόμβους της ράβδου, σύμφωνα με το τοπικό σύστημα συντεταγμένων του μέλους u : σχετική μετακίνηση ΔL των κόμβων της ράβδου, σύμφωνα με το τοπικό σύστημα συντεταγμένων του μέλους οι μετακινήσεις u i στα άκρα ενός μέλους μπορούν, με τη χρήση του μητρώου ευκαμψίας F i, το οποίο στη περίπτωση των δικτυωμάτων είναι ένα απλό στοιχείο, να εκφραστούν συναρτήσει των δυνάμεων s i στα άκρα των μελών: Πέτρος Κωμοδρόμος 11

12 Διανύσματα μεθόδου δυνάμεων για δικτυώματα b : μητρώο μετασχηματισμού το οποίο συνδέει τις επικόμβιες δυνάμεις με τις δυνάμεις στα άκρα των ράβδων R : επικόμβιες δυνάμεις στο δικτύωμα s : αξονική δύναμη της ράβδου Bάσει της αρχής της επαλληλίας, υπολογίζοντας τις αξονικές δυνάμεις οι οποίες αναπτύσσονται ξεχωριστά για κάθε πιθανή εξωτερικά επιβαλλόμενη επικόμβια δύναμη, μπορούμε να τις αθροίσουμε κατάλληλα για συγκεκριμένη φόρτιση ώστε να υπολογίσουμε τις αντίστοιχες αξονικές δυνάμεις στις ράβδους Πέτρος Κωμοδρόμος 12

13 Υπολογισμός μητρώου μετασχηματισμού b προσδιορισμός όλων των δυνατών επικόμβιων δυνάμεων R για την στήλη i του μητρώου μετασχηματισμού b εφαρμογή μοναδιαίας δύναμης R i, μηδενικές όλες οι άλλες επικόμβιες δυνάμεις R j, (όπου j i) η στήλη i προκύπτει από τις αντίστοιχες δυνάμεις s των ράβδων Πέτρος Κωμοδρόμος 13

14 Παράδειγμα-1 Δικτύωμα, ΔΕΣ και εξωτερικά επιβαλλόμενες δυνάμεις Εφαρμογή επικόμβιων δυνάμεων Πέτρος Κωμοδρόμος 14

16 Μητρώο ευκαμψίας ράβδου και δικτυώματος Πέτρος Κωμοδρόμος 16

17 Αρχή δυνατών συμπληρωματικών έργων και μέθοδος ευκαμψίας εξωτερικό δυνατό συμπληρωματικό έργο: εσωτερική δυνατή συμπληρωματική ελαστική ενέργεια: Πέτρος Κωμοδρόμος 17

18 Tο συνολικό μητρώο ευκαμψίας της κατασκευής συνδέει τις μετακινήσεις των κόμβων με τις αντίστοιχες εξωτερικές δυνάμεις στους κόμβους, σύμφωνα με το απόλυτο σύστημα συντεταγμένων: Πέτρος Κωμοδρόμος 18

19 Διαδικασία επίλυσης ενός ισοστατικού δικτυώματος Αρίθμηση όλων των μελών και καθορισμός των εντατικών τους μεγεθών s στα άκρα τους Καθορισμός για όλα τα μέλη των σχέσεων μετακινήσεων-δυνάμεων Σχηματισμός του γενικού μητρώου F* με όλα τα επιμέρους μητρώα ευκαμψίας F i, το οποίο συνδέει τις μετακινήσεις στα άκρα των ράβδων με τα αντίστοιχα εντατικά μεγέθη Προσδιορισμός του μητρώου μετασχηματισμού b, το οποίο συνδέει τις επικόμβιες δυνάμεις F με τις δυνάμεις s στα άκρα των μελών Υπολογισμός του απόλυτου μητρώου ευκαμψίας ή ελαστικότητας Με δεδομένα τα επικόμβια εξωτερικά φορτία R μπορούν να υπολογιστούν: - τα εντατικά μεγέθη στα άκρα των μελών του φορέα s, - οι μετακινήσεις των κόμβων της κατασκευής U, - οι μετακινήσεις στα άκρα των μελών του φορέα u, Πέτρος Κωμοδρόμος 19

20 Παράδειγμα-2 Πέτρος Κωμοδρόμος 20

25 Ο φορέας στην περίπτωση αυτή έχει επτά δυνατές φορτίσεις και για τον υπολογισμό του μητρώου μετασχηματισμού b, ασκούμε διαδοχικά μοναδιαία δυνατή δύναμη, διατηρώντας τις άλλες επικόμβιες δυνάμεις μηδενικές και υπολογίζουμε τις αξονικές δυνάμεις. Πέτρος Κωμοδρόμος 25

30 Ανάλυση υπερστατικών δικτυωμάτων με τη Μέθοδο Ευκαμψίας Πέτρος Κωμοδρόμος 30

31 αφού εφαρμοσθούν κατάλληλες ελευθερίες στο φορέα, ώστε να καταστεί ισοστατικός και σταθερός, καθορίζονται τα αντίστοιχα συστήματα-0, -1, -2,.,N βάσει των οποίων προσδιορίζονται τα μητρώα μετασχηματισμού b 0 και b χ : το μητρώο μετασχηματισμού b 0 συνδέει τα επικόμβια φορτία R με τις δυνάμεις s στα άκρα των μελών το μητρώο μετασχηματισμού b χ συνδέει τα υπερστατικά μεγέθη Χ με τις δυνάμεις s στα άκρα των μελών συνεπώς, τα εντατικά μεγέθη στα άκρα των μελών του φορέα μπορούν να εκφρασθούν συναρτήσει των επικόμβιων εξωτερικών φορτίων R και των υπερστατικών μεγεθών Χ Πέτρος Κωμοδρόμος 31

32 Αρχή δυνατών συμπληρωματικών έργων και μέθοδος ευκαμψίας για υπερστατικά δικτυώματα εξωτερικό δυνατό συμπληρωματικό έργο: εσωτερική δυνατή συμπληρωματική ελαστική ενέργεια: Πέτρος Κωμοδρόμος 32

35 αφού υπολογιστούν τα άγνωστα υπερστατικά μεγέθη: μετακινήσεις των κόμβων: εντατικά μεγέθη στα άκρα των μελών: Πέτρος Κωμοδρόμος 35

36 Διαδικασία επίλυσης ενός υπερστατικού δικτυώματος αρίθμηση όλων των μελών και καθορισμός των εντατικών μεγεθών s καθορισμός για όλα τα μέλη των σχέσεων μετακινήσεων-δυνάμεων σχηματισμός του γενικού μητρώου F * με όλα τα επιμέρους μητρώα ευκαμψίας F i, το οποίο συνδέει τις μετακινήσεις στα άκρα των ράβδων με τα αντίστοιχα εντατικά μεγέθη καθορισμός κατάλληλων υπερστατικών μεγεθών με προσθήκη ελευθεριών ώστε να προκύψει ισοστατικός σταθερός φορέας Πέτρος Κωμοδρόμος 36

37 προσδιορισμός των μητρώων μετασχηματισμού b 0 και b χ : Πέτρος Κωμοδρόμος 37

40 καθορισμός υπερστατικού μεγέθους ώστε να προκύψει ισοστατικός σταθερός φορέας (η άρθρωση γίνεται κύλιση) προσδιορισμός μητρώου μετασχηματισμού b 0 : Πέτρος Κωμοδρόμος 40

41 προσδιορισμός μητρώου μετασχηματισμού b χ : Πέτρος Κωμοδρόμος 41

42 υπολογισμός μητρώων: υπολογισμός υπερστατικού μεγέθους: Πέτρος Κωμοδρόμος 42

43 υπολογισμός μετακινήσεων των κόμβων: Υπολογισμός εντατικών μεγεθών των μελών: Υπολογισμός μετακινήσεων στα άκρα του φορέα: Πέτρος Κωμοδρόμος 43

51 Χρήση συνολικών μητρώων Λαμβάνονται υπόψη όλοι οι βαθμοί ελευθερίας Απαιτούνται συνήθως περισσότεροι υπολογισμοί για να επιλυθεί ο φορέας για μία φόρτιση, αλλά λιγότεροι αν ο φορέας πρέπει να επιλυθεί για διάφορες φορτίσεις ή όταν απαιτούνται μετακινήσεις διαφορετικές από αυτές που αντιστοιχούν στις συγκεκριμένες εξωτερικά επιβαλλόμενες επικόμβιες φορτίσεις Το μητρώο ευκαμψίας που προκύπτει μπορεί να χρησιμοποιηθεί για: να επιλυθεί ο φορέας για κάθε δυνατή φόρτιση να υπολογισθεί μετακίνηση για οποιοδήποτε βαθμό ελευθερίας Πέτρος Κωμοδρόμος 51

52 Συνολικά μητρώα μετασχηματισμού: Ισοστατικά δικτυώματα: Υπερστατικά δικτυώματα: Πέτρος Κωμοδρόμος 52

53 Χρήση συμπυκνωμένων μητρώων Λαμβάνονται υπόψη μόνο οι βαθμοί ελευθερίας που αντιστοιχούν σε εξωτερικά επιβαλλόμενα φορτία ή όπου απαιτείται υπολογισμός μετακινήσεων Απαιτούνται συνήθως λιγότεροι υπολογισμοί για να επιλυθεί ο φορέας για μία συγκεκριμένη φόρτιση, ειδικά αν δεν απαιτούνται μετακινήσεις διαφορετικές από αυτές που αντιστοιχούν στις συγκεκριμένες εξωτερικά επιβαλλόμενες επικόμβιες φορτίσεις Το μητρώο ευκαμψίας που προκύπτει μπορεί να χρησιμοποιηθεί: για να επιλυθεί ο φορέας μόνο για τη συγκεκριμένη φόρτιση να υπολογισθούν μόνο μετακινήσεις που αντιστοιχούν στους βαθμούς ελευθερίας που λήφθηκαν υπόψη Πέτρος Κωμοδρόμος 53

54 Χρήση συμπυκνωμένων μητρώων μετασχηματισμού: τα συμπυκνωμένα μητρώα μετασχηματισμού συνδέουν μόνο τις μη μηδενικές επικόμβιες δυνάμεις R, συμπεριλαμβάνοντας και τους βαθμούς ελευθερίας όπου απαιτείται ο υπολογισμός των αντίστοιχων μετακινήσεων, με τα εντατικά μεγέθη s στα άκρα των μελών Ισοστατικά δικτυώματα: Υπερστατικά δικτυώματα: Πέτρος Κωμοδρόμος 54

55 Παράδειγμα-6: Ανάλυση ισοστατικού δικτυώματος με συμπυκνωμένα μητρώα μετασχηματισμού Πέτρος Κωμοδρόμος 55

56 Επικόμβιες δυνάμεις: Πέτρος Κωμοδρόμος 56

59 Παράδειγμα-7: Ανάλυση ισοστατικού δικτυώματος με συμπυκνωμένα μητρώα μετασχηματισμού Πέτρος Κωμοδρόμος 59

64 Παράδειγμα-8: Πέτρος Κωμοδρόμος 64

71 Προσδιορισμός μητρώου ευκαμψίας δοκού Πέτρος Κωμοδρόμος 71

73 Σχηματισμός μητρώου F * Πέτρος Κωμοδρόμος 73

74 Ισοστατικά πλαίσια σχηματισμός μητρώου μετασχηματισμού b το οποίο συνδέει τις εξωτερικά επιβαλλόμενες επικόμβιες ροπές με τις ροπές στα άκρα των μελών Πέτρος Κωμοδρόμος 74

75 Διαδικασία επίλυσης ισοστατικού πλαισίου Αρίθμηση όλων των μελών και καθορισμός των εντατικών τους μεγεθών s Καθορισμός για όλα τα μέλη των σχέσεων μετακινήσεων-δυνάμεων Σχηματισμός του γενικού μητρώου F* με όλα τα επιμέρους μητρώα ευκαμψίας F i, το οποίο συνδέει τις μετακινήσεις στα άκρα των ράβδων με τα αντίστοιχα εντατικά μεγέθη Προσδιορισμός του μητρώου μετασχηματισμού b Υπολογισμός του απόλυτου μητρώου ευκαμψίας ή ελαστικότητας Με δεδομένα τα επικόμβια εξωτερικά φορτία R μπορούν να υπολογιστούν: - τα εντατικά μεγέθη στα άκρα των μελών του φορέα s, - οι μετακινήσεις των κόμβων της κατασκευής U, - οι μετακινήσεις στα άκρα των μελών του φορέα u, Πέτρος Κωμοδρόμος 75

76 Παράδειγμα-9: επίλυση ισοστατικού πλαισίου Πέτρος Κωμοδρόμος 76

80 Υπερστατικά πλαίσια Πέτρος Κωμοδρόμος 80

81 Διαδικασία επίλυσης υπερστατικών πλαισίων αρίθμηση όλων των μελών και καθορισμός των εντατικών μεγεθών s καθορισμός για όλα τα μέλη των σχέσεων μετακινήσεων-δυνάμεων σχηματισμός του γενικού μητρώου F * με όλα τα επιμέρους μητρώα ευκαμψίας F i καθορισμός κατάλληλων υπερστατικών μεγεθών με προσθήκη ελευθεριών ώστε να προκύψει ισοστατικός σταθερός φορέας Πέτρος Κωμοδρόμος 81

82 Σχηματισμός (συμπυκνωμένων) μητρώων μετασχηματισμού b 0 και b χ : Πέτρος Κωμοδρόμος 82

84 Παράδειγμα-10: επίλυση υπερστατικού πλαισίου Πέτρος Κωμοδρόμος 84

85 Σχηματισμός συμπυκνωμένων μητρώων μετασχηματισμού: Πέτρος Κωμοδρόμος 85

88 Παράδειγμα-11: επίλυση πλαισιακού φορέα Πέτρος Κωμοδρόμος 88

97 Ανάλυση μικτών κατασκευών με τη μέθοδο ευκαμψίας Μία μικτή κατασκευή αποτελείται από διαφορετικά δομικά στοιχεία, όπως π.χ. δοκούς και δικτυώματα, και μπορεί να αναλυθεί με τη μέθοδο ευκαμψίας με τον απλό συνδυασμό των μητρώων ευκαμψίας επιμέρους μελών Πέτρος Κωμοδρόμος 97