ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Παραδόσεις Θεωρίας. Προσομοίωση φορέα με χρήση πεπερασμένων στοιχείων. ιδάσκων: Κίρτας Εμμανουήλ. Σέρρες, Σεπτέμβριος 2008

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΣΕΡΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΟΜΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΣΕΡΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΟΜΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ ΕΙ ΙΚΑ ΚΕΦΑΛΑΙΑ ΣΤΑΤΙΚΗΣ Παραδόσεις Θεωρίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Προσομοίωση φορέα με χρήση πεπερασμένων στοιχείων ιδάσκων: Κίρτας Εμμανουήλ Σέρρες, Σεπτέμβριος 008 σελ. 1.3 σελ. 1.4 Προσομοίωση Η αναπαραγωγή της συμπεριφοράς ενός φορέα υπό δεδομένα φορτία Προσομοίωση με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων Η περιγραφή ενός «άπειρου» προβλήματος με διαχωρισμό του σε πεπερασμένο αριθμό υποπεριοχών και περιγραφή της συμπεριφοράς τους με προσεγγιστικές εκφράσεις Προσομοίωση Η αναπαραγωγή της συμπεριφοράς ενός φορέα υπό δεδομένα φορτία Προσομοίωση με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων Η περιγραφή ενός «άπειρου» προβλήματος με διαχωρισμό του σε πεπερασμένο αριθμό υποπεριοχών και περιγραφή της συμπεριφοράς τους με προσεγγιστικές εκφράσεις Προσομοίωση γεωμετρίας του φορέα x L P x L i L P Προσομοίωση ιδιοτήτων των μελών του φορέα Προσομοίωση φορτίων Εξαγωγή αποτελεσμάτων (εντατικών μεγεθών, παραμόρφωσης κτλ) Χρήση των αποτελεσμάτων για την διαστασιολόγηση των δομικών μελών του φορέα (υπολογισμός διαστάσεων διατομών, οπλισμού, αρμών κτλ)

2 σελ. 1.5 Στάδια προσομοίωσης σελ. 1.6 Στάδια προσομοίωσης (α) ιακριτοποίηση (β) Θεώρηση επιμέρους στοιχείων (α) ιακριτοποίηση (β) Θεώρηση επιμέρους στοιχείων p 1 p 1 F 3 1 F Χρήση μητρώων για την περιγραφή των ιδιοτήτων και της φόρτισης του φορέα F p F p Μεγάλο υπολογιστικό κόστος (γ) Σύνθεση ύ 4 (γ) Σύνθεση ύ 4 Χρήση Η/Υ Αριθμητική προσομοίωση σελ. 1.7 σελ. 1.8 Πλεονεκτήματα αριθμητικής προσομοίωσης Φορέας οπλισμένου σκυροδέματος ύσκολη η μελέτη με απλές μεθόδους ή αναλυτικές σχέσεις σε σύνθετα προβλήματα - Πολύπλοκη γεωμετρία - Μεγάλος αριθμός δομικών μελών με διαφορετικές ιδιότητες - Απλές και σύνθετες φορτίσεις (κατακόρυφα, σεισμός...) υνατότητα παραμετρικών αναλύσεων Ικανοποιητική ακρίβεια αποτελεσμάτων σε προβλήματα μηχανικού Πως γινόταν οι αναλύσεις πριν τη διάδοση των Η/Υ??? Προσομοίωμα με γραμμικά στοιχεία Τρισδιάστατη απεικόνιση προσομοιώματος

3 σελ. 1.9 σελ Μειονεκτήματα αριθμητικής προσομοίωσης Αριθμητικές αστάθειες - Αλγόριθμος επίλυσης - Ανακριβής διακριτοποίηση η Συχνά δεν είναι εμφανείς οι αδυναμίες και απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή Επιρροή πολλών παραμέτρων στην ακρίβεια της προσομοίωσης Λειτουργία της μεθόδου: Μια περιοχή δίδεται ως σύνολο υποπεριοχών ερο (πεπερασμένωνε ερασ έ στοιχείων) Σε κάθε στοιχείο καθορίζονται οι κόμβοι και ο τρόπος παραμόρφωσης του στοιχείου Υπερβολές στην προσομοίωση Αντιμετώπιση προγραμμάτων ως «μαύρο κουτί» από μη έμπειρο χρήστη Garbage in Garbage out Άγνωστα επικόμβια μεγέθη σελ σελ. 1.1 Λειτουργία της μεθόδου: Επιλογές και σφάλματα προσομοίωσης Μόρφωση μαθηματικής εξίσωσης σε κάθε στοιχείο Συνένωση των εξισώσεων όλων των στοιχείων (μητρώα) Αρχικός φορέας F1 Πυκνότερη διακριτοποίηση δεν σημαίνει πάντα και πιο σωστή F1 F1 Επιβολή συνοριακών συνθηκών F F F Επίλυση των εξισώσεων επικόμβιες τιμές Υπολογισμός εντατικών μεγεθών - παραμορφώσεων Λάθος θέση πύκνωσης Σωστή θέση πύκνωσης

4 σελ σελ Επιλογές και σφάλματα προσομοίωσης Παράδειγμα: υπολογισμός εμβαδού κύκλου Εμβαδόν κύκλου Ε = π R² Υπολογισμός μέσω διακριτοποίησης σε Ν τρίγωνα R R θi Rsinθ Εμβαδόν τριγώνου: 1 1 π Ν E R Rsinθ R sin i Αρχικός φορέας Προσομοίωμα Α Προσομοίωμα Β Καλύτερη προσέγγιση γεωμετρίας Καταρτισμός εξισώσεων? Συμπεριφορά στοιχείων μη κανονικού σχήματος? Ανεπαρκής προσέγγιση γεωμετρίας? Καταρτισμός εξισώσεων? Ικανοποιητική συμπεριφορά ομοιόμορφων στοιχείων κανονικού σχήματος θi Ei Εμβαδόν κύκλου: 1 π E Ν E Ν R sin i Ν σελ σελ Παράδειγμα: υπολογισμός εμβαδού κύκλου Επιλογή λεπτομέρειας και ακρίβειας προσομοίωσης Εμβαδόν κύκλου Ε = π R² Υπολογισμός μέσω διακριτοποίησης σε Ν τρίγωνα Απαίτηση για χονδροειδή (ή και καθόλου) ) προσομοίωση Απαίτηση για προσομοίωση μεγάλης ακρίβειας R θi Ei Εμβαδόν κύκλου Αριθμός τριγώνων Ν Εμβαδόν από τρίγωνα ργ Ποσοστιαία απόκλιση 3.14 R² 8.88 R² 9.97% 3.14 R² R² 6.45% 3.14 R² R².55% 3.14 R² R² 1.64% Στην συγκεκριμένη περίπτωση η πυκνότερη διακριτοποίηση δίνει ακριβέστερα αποτελέσματα. Ποιος είναι ο βέλτιστος αριθμός τριγώνων που πρέπει να χρησιμοποιήσουμε προκειμένου η ακρίβεια να μην οδηγεί σε σημαντική αύξηση του υπολογιστικού κόστους? Και να πέσει το μπουφάν κάτω δεν πειράζει Αυτό να μην πέσει όμως...

5 σελ σελ Τύποι πεπερασμένων στοιχείων ιαστάσεις στοιχείου Γραμμικά διαστάσεων (D) 3 διαστάσεων (3D) (επιφανειακά) (χωρικά) Τύποι πεπερασμένων στοιχείων Αριθμός κόμβων στοιχείου -3 κόμβων κόμβων κόμβων (επιφανειακά) (χωρικά) σελ σελ. 1.0 Τύποι πεπερασμένων στοιχείων Βαθμοί ελευθερίας των κόμβων Τύποι πεπερασμένων στοιχείων Περιγραφή συμπεριφοράς στοιχείου Μεταφορικοί βαθμοί ελευθερίας Μεταφορικοί και στροφικοί βαθμοί ελευθερίας Η παραμόρφωση συνάρτηση 1 ου βαθμού Η παραμόρφωση συνάρτηση ου βαθμού

6 σελ. 1.1 σελ. 1. Τύποι πεπερασμένων στοιχείων Παράδειγμα προσομοίωσης με γραμμικά στοιχεία Περιγραφή συμπεριφοράς τοιχώματος με το στοιχείο 1 ου βαθμού Προσομοίωμα Α Προσομοίωμα Β Λευκάδα (σεισμός ) Sextos et al (005) σελ. 1.3 σελ. 1.4 Παράδειγμα προσομοίωσης με επιφανειακά και χωρικά στοιχεία (D-3D) Παράδειγμα προσομοίωσης με επιφανειακά στοιχεία (D) Β Α Ρόδος (φρούριο Αγ. Νικολάου, πύργος Zacosta) Πιτιλάκης, Σεξτος και Κίρτας (003) Ρόδος (φάρος στον πύργο Zacosta)

7 σελ. 1.5 σελ. 1.6 Παράδειγμα προσομοίωσης με επιφανειακά στοιχεία (D) Παράδειγμα προσομοίωσης με χωρικά στοιχεία (3D) 3,50 14 ΒΛΗΤΡΑ Φ14 ΠΕΡΙΜΕΤΡΙΚΑ, L=60cm, ΠΑΚΤΩΣΗ ΜΕ ΚΟΝΙΑ ΑΚΤΥΛΙΟΣ ΑΠΟ Ο/Σ 60 x5cm (C16/0, S400) ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΚΤΩΣΗ ΤΟΥ ΦΟΡΕΑ ΤΟΥ ΥΑΛΟΣΤΑΣΙΟΥ 0,60 1,50 0,60 6,75 ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΣ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΣ ΑΚΤΥΛΙΟΣ ΙΑΜΕΤΡΟΥ 1.50m ΑΝΑ.00m. Πρόσφυση µε τη λιθοδοµή µέσω εποξειδικού ρητινοκονιάµατος και περιµετρικών βλήτρων Πάκτωση µέσω 14 βλήτρων (νευρώδης χάλυβας S400) διαµέτρου Φ14 εντός διατορήµατος Φ16 πληρωµένου µε κονία Λιθοδοµή: Καλής ποιότητας λαξευµένοι λίθοι µε κονίαµα υψηλής αντοχής (Μ10-Μ0). Πλέξιµο των λίθων. Ιδιαίτερη µέριµνα στην περιοχή της κρίσιµης διατοµής (στάθµη +0.50). 1,50 10 ΠΕΡΙΜΕΤΡΙΚΑ ΑΓΚΥΡΙΑ ΙΑΜΕΤΡΟΥ Φ 0 ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΤΗΣ ΚΡΙΣΙΜΗΣ ΙΑΤΟΜΗΣ ΜΗΚΟΥΣ L=0.90m. Τοποθέτηση εκατέρωθεν της κρίσιµης διατοµής (+0.50 m) Ρόδος (φάρος στον πύργο Zacosta) ,0 Α 3,10 0,80 Α Ρόδος (φρούριο Αγ. Νικολάου, πύργος Zacosta) 5,00 σελ. 1.7 σελ. 1.8 Παράδειγμα προσομοίωσης με χωρικά στοιχεία (3D) Ρόδος (φρούριο Αγ. Νικολάου, πύργος Zacosta)

8 σελ. 1.9 σελ Ρόδος (οπλοθήκη De Milly) Πιτιλάκης, Σέξτος και Γαλαζούλα (00) σελ σελ. 1.3 Ρόδος (οπλοθήκη De Milly) Ρόδος (οπλοθήκη De Milly)

9 σελ σελ Κτίριο ΤΑΧΤΑ (Αθήνα) Πιτιλάκης και Κίρτας (004) σελ σελ. 1.36

10 σελ σελ Βασικές έννοιες στατικής Βασικές έννοιες στατικής Πεπερασμένα στοιχεία Βαθμοί ελευθερίας κόμβου Στο επίπεδο Z Στο χώρο Z RZ ιακριτοποίηση RY κόμβος X Χ κόμβος RΧ RY Y σελ σελ Βασικές έννοιες στατικής Βαθμοί ελευθερίας κόμβου Βασικές έννοιες στατικής Βαθμοί ελευθερίας κόμβου X Z 1 RZ X 1 3 Y Z 3 Χ κόμβος RΧ RY Y Y Z 3 1

11 σελ σελ. 1.4 Βασικές έννοιες στατικής Βαθμοί ελευθερίας κόμβου X 1 Ιδιότητες υλικού Μέτρο ελαστικότητας E (KN/m²) Συνδέει τις ορθές τάσεις με τις αναπτυσσόμενες αξονικές παραμορφώσεις Y Z σ Ε ε σ ε du du σελ σελ Ιδιότητες υλικού Μέτρο διάτμησης ης G (KN/m²) Συνδέει τις διατμητικές τάσεις με τις αναπτυσσόμενες διατμητικές παραμορφώσεις Ιδιότητες υλικού Λόγος Poisson v Λόγος της παραμόρφωσης σε διεύθυνση κάθετη στη δύναμη προς την παραμόρφωση παράλληλα στη δύναμη τ G γ dy τ γ dy Poisson's s ratio v W W L L O O L W O O o

12 σελ σελ Ιδιότητες υλικού Ιδιότητες υλικού Πυκνότητα ρ (t/m³) Ορίζεται ως η μάζα του υλικού στη μονάδα του όγκου Ειδικό βάρος γ (ΚΝ/m³) Ορίζεται ως το βάρος του υλικού στη μονάδα του όγκου Προκύπτει: γ ρg m ρ V B γ V Η συμπεριφορά των υλικών κατά την ανάλυση λαμβάνεται γραμμική και ελαστική Η πραγματικότητα είναι διαφορετική (μη γραμμική ανελαστική συμπεριφορά) F u δύναμη F e πραγματική α συμπεριφορά (ανελαστική συμπεριφορά) u e u Παραμένουσα μετατόπιση μετατόπιση σελ Ιδιότητες υλικού Πως λαμβάνεται υπόψη η πραγματική συμπεριφορά υλικού κατά την ανάλυση? Φορτίο σεισμού για ελαστική συμπεριφορά φορέα R d έως την μετακίνηση u* e ΕΑΚ 000 γραμμική ανάλυση με μικρότερη δύναμη R d /q (q συντ. συμπεριφοράς) ) σελ Αναπτυσσόμενα μεγέθη και ιδιότητες διατομής Μεγέθη μετακίνησης δομικού στοιχείου Rd : Σεισμική δύναμη αν ο φορέας συμπεριφερόταν ελαστικά Η παραλαβή της υπόλοιπης δύναμης και η ανάπτυξη των τελικών μετακινήσεων γίνεται με ανελαστική παραμόρφωση του φορέα R d F y R d q δύναμη με την οποία γίνεται η ανάλυση ελαστική συμπεριφορά πραγματική συμπεριφορά (ανελαστική συμπεριφορά) r z u z z x y u y u x r x r y Η δυνατότητα σημαντικής ανελαστικής παραμόρφωσης κατά την πραγματική u e u* e μετατόπιση απόκριση του φορέα εξασφαλίζεται με κατάλληλη διαστασιολόγηση (τοποθέτηση κατάλληλων οπλισμών και συνδετήρων σε κρίσιμες περιοχές, στατικό σύστημα, πλαστικές αρθρώσεις κτλ)

13 σελ σελ Αναπτυσσόμενα μεγέθη και ιδιότητες διατομής Μεγέθη έντασης δομικού στοιχείου Αναπτυσσόμενα μεγέθη και ιδιότητες διατομής Εσωτερικές παραμορφώσεις δομικού στοιχείου M y V y M z V z N M T Καμπτική ροπή M(x) Καμπυλότητα κ=dφ/ dφ Συσχέτιση μεγεθών έντασης-παραμόρφωσης κ Μ ΕΙ MA A B MB NA NA VA VB σελ σελ. 1.5 Αναπτυσσόμενα μεγέθη και ιδιότητες διατομής Εσωτερικές παραμορφώσεις δομικού στοιχείου Αναπτυσσόμενα μεγέθη και ιδιότητες διατομής Εσωτερικές παραμορφώσεις δομικού στοιχείου Ορθή (αξονική) δύναμη Ν(x) Αξονική παραμόρφωση ε=du/ du Συσχέτιση μεγεθών έντασης-παραμόρφωσης ε Ν ΕΑ Τέμνουσα δύναμη V(x) Ολίσθηση γ=dy/ dy Συσχέτιση μεγεθών έντασης-παραμόρφωσης V γ GΑ

14 σελ σελ Αναπτυσσόμενα μεγέθη και ιδιότητες διατομής Εσωτερικές παραμορφώσεις δομικού στοιχείου Αναπτυσσόμενα μεγέθη και ιδιότητες διατομής Εσωτερικές παραμορφώσεις δομικού στοιχείου Καμπτική ροπή M(x) Καμπυλότητα κ=dφ/ dφ Συσχέτιση μεγεθών έντασης-παραμόρφωσης κ Μ ΕΙ ΣτρεπτικήροπήΜ Τ (x) Συστροφή θ =dθ/ dθ Συσχέτιση μεγεθών έντασης-παραμόρφωσης ΜΤ θ GJ Τ Ορθή (αξονική) δύναμη Ν(x) Τέμνουσα δύναμη V(x) Αξονική παραμόρφωση ε=du/ du Ολίσθηση γ=dy/ ε Ν ΕΑ dy V γ GΑ ΣτρεπτικήροπήΜ Τ (x) Συστροφή θ =dθ/ dθ ΜΤ θ GJ Τ σελ σελ Ιδιότητες αντίστασης διατομής όρος δυσκαμψίας (ΕΙ) Καμπτική ροπή M(x) Καμπυλότητα κ=dφ/ dφ Συσχέτιση μεγεθών έντασης-παραμόρφωσης κ Μ ΕΙ Ορθή (αξονική) δύναμη Ν(x) Αξονική παραμόρφωση ε=du/ όρος δυστένειας (ΕΑ) du ε Ν ΕΑ Τέμνουσα δύναμη V(x) Ολίσθηση γ=dy/ όρος δυστμησίας (GΑ ) dy V γ GΑ όρος δυστρεψίας (GJ T ) ΣτρεπτικήροπήΜ Τ (x) Συστροφή θ =dθ/ dθ ΜΤ θ GJ Τ