Η µέθoδoς των πεπερασµένων διαφoρών. υναµική χαλάρωση.

Transcript

1 Η µέθoδoς των πεπερασµένων διαoρών. υναµική χαλάρωση.. Εισαγωγή Πoλλά πρoβλήµατα αντoχής διατυπώνoνται µε διαoρικές εξισώσεις, είτε κανoνικές (διάτµηση, ρoπές, µετατoπίσεις, λυγισµός δoκών), είτε µερικές (ελάσµατα, κελύη). Λύσεις κλειστής µoρής απoκτώνται µόνo σε oρισµένες περιπτώσεις στις oπoίες oι oριακές συνθήκες και oι oρτίσεις εκράζoνται µε σχετικά απλές µαθηµατικές σχέσεις. Γενικές λύσεις απoκτώνται µόνo µε τη χρήση πρoσεγγιστικών αριθµητικών µεθόδων. Η µέθoδoς των πεπερασµένων διαoρών υπήρξε η πρώτη αριθµητική διαδικασία πoυ χρησιµoπoιήθηκε για την επίλυση πρoβληµάτων αντoχής κατασκευών. Η πρώτη εαρµoγή σε πρoβλήµατα λεπτότοιχων ελασµάτων χρoνoλoγείται από τo 9, όταν o Henck επέλυσε τις εξισώσεις ορθογωνίων ελασµάτων στο πεδίο των µεγάλων µετατoπίσεων. Η σηµασία της µεθόδoυ είχε αναγνωρισθεί από τότε αλλά µόνo µε την ανάπτυξη των ηλεκτρoνικών υπoλoγιστών κατά την µεταπoλεµική περίoδo άρχισε να βρίσκει ευρεία εαρµoγή. Oι λύσεις πoυ απoκτώνται δεν έχoυν την απόλυτη ακρίβεια των αναλυτικών λύσεων καθόσoν σύµωνα µε την βασική παραδoχή της µεθόδoυ η κατασκευή πoυ είναι ένα συνεχές µέσo αντικαθίσταται από ένα αντίστoιχo διακριτό, στoυς κόµβoυς τoυ oπoίoυ επιλύoνται oι εξισώσεις ισoρρoπίας. Η ακρίβεια της αριθµητικής λύσης εξαρτάται λoιπόν από τo κατά πόσo η πρoσoµoίωση πρoσεγγίζει τις αναλυτικές εξισώσεις ισoρρoπίας. Σηµαντικoί παράγoντες πoυ επηρεάζoυν την ακρίβεια της µεθόδoυ είναι η συµπεριoρά τoυ υλικoύ και η πύκνωση των κόµβων. Oταν χρησιµoπoιoύνται αριθµητικές µέθoδoι oι παράγωγoι εκράζoνται µε σχέσεις διαoρών των συναρτήσεων σε καθoρισµένα διαστήµατα (στo χώρo ή και στo χρόνo). Σε κάθε κόµβo η εξίσωση ισoρρoπίας εκράζεται σε µoρή πεπερασµένων διαoρών. Σε συνδυασµό µε τις oριακές συνθήκες, oρίζεται σύστηµα εξισώσεων για τις επί µέρoυς λύσεις της εξίσωσης ισoρρoπίας στoυς κόµβoυς. Η αντιστρoή τoυ συστήµατoς των εξισώσεων ισoρρoπίας γίνεται εύκoλα µε έτoιµες διαδικασίες σε µικρo-υπoλoγιστές (απαλoιή κατά Gauss, Gauss-Seidel, κλπ). Στην περίπτωση πρoβληµάτων δoκών και λεπτότοιχων ελασµάτων έχει βρεθεί ότι η χρήση γραµµικών σχέσεων για τις πεπερασµένες διαoρές σε συνδυασµό µε ικανό αριθµό κόµβων απoδίδει επαρκή ακρίβεια. Η πύκνωση των κόµβων εξαρτάται από τoν τρόπo αστoχίας της κατασκευής. Για παράδειγµα, αν µία δoκός αστoχεί µε δύo ηµικύµατα κατά µήκoς τoυ άξoνά της, και αν θεωρήσoυµε ότι απαιτoύνται τoυλάχιστoν τέσσερις κόµβoι για κάθε ηµικύµα, o συνoλικός αριθµός 7

2 8 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές των κόµβων θα είναι τότε oκτώ. εάν αυξήσoυµε τoν αριθµό των κόµβων η λύση θα έχει µεγαλύτερη βέβαια ακρίβεια. Η χρήση διαoρών υψηλότερης τάξης για τέτoια πρoβλήµατα είναι λoιπόν περιoρισµένη και δεν θα µας απασχoλήσει στo παρόν κεάλαιo.. Χρήση πεπερασµένων διαoρών Oι πρώτες και δεύτερες παράγωγoι της συνάρτησης () oρίζoνται ως µεταβoλές της ή των παραγώγων της ως πρoς και εκράζoνται αντίστoιχα ως εξής: d d ( ) lim 0 lim 0 (α) d d lim 0 ( ) ( ) lim 0 (β) Όπως αίνεται από τo Σχήµα, όταν τo διάστηµα δεν πλησιάζει την µηδενική τιµή αλλά διατηρεί πεπερασµένη τιµή oι παράγωγoι στo σηµείo n δίνoνται από τις παρακάτω σχέσεις: n n n ( ) ( ) n n ή / n n n n / n n n (α) (β) Oι διαoρές υψηλότερης τάξης δίνoνται από ανάλoγες σχέσεις. Τo σύµβoλo καλείται τελεστής διαoρών. Η πρώτη διαoρά είναι ( n - n- ) και η δεύτερη διαoρά είναι ( n - n n- ). Oι παράγωγoι d/d, d /d κλπ παριστάνονται µε αντίστoιχες πεπερασµένες διαoρές,, κλπ διαιρoύµενες µε,, κλπ. Κάνoντας χρήση διαoρετικών κόµβων, oι πεπερασµένες διαoρές εκράζoνται κατά τρεις διαoρετικoύς τρόπoυς.. Πρoηγoύµενες διαoρές Oι πρoηγoύµενες διαoρές oπoιασδήπoτε τάξης εκράζoνται µε τιµές στo σηµείo i και σε σηµεία πρoηγoύµενα αυτoύ, δηλαδή σε σηµεία µε τετµηµένη µικρότερη της τετµηµένης n. Έχoυµε:

3 Η µέθοδος των πεπερασµένων διαορών. υναµική χαλάρωση 9 () n- n n n- n n Σχήµα ιατύπωση πεπερασµένων διαoρών n n n n n n n (α-β) Η γενική σχέση των προηγούµενων διαoρών δίνεται σε πινακoπoιηµένη µoρή στo Σχήµα. Στo αριστερό σκέλoς τoυ σχήµατoς δίνεται σχηµατικά η διαδικασία αναγωγής σε διαoρές υψηλότερης τάξης. Για παράδειγµα, η σχέση n n n παριστάνεται µε τις δύo γραµµές πoυ συνδέoυν τo n µε τo n και τo n-, τα oπoία µε τη σειρά τoυς συνδέoνται µε τα n, n- και n-, n- αντίστoιχα, ώστε έχoυµε: n n n n n n Συνεπώς, n n n n () Στo δεξιό σκέλoς τoυ Σχήµατoς oι διαoρές n, n κλπ εκρά-ζoνται ως άθρoισµα των γινoµένων των συντελεστών κάτω από αυτές τις διαoρές και τις αντίστoιχες συντεταγµένες n, n κλπ. Έτσι, n n n 6 n n n

4 0 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές n n n n n n n- n n- n n- n- n 6 n- n- n- n- - - n- n- Σχήµα Πρoηγoύµενες διαoρές. Μέσες και επόµενες διαoρές Oι τετµηµένες των σηµείων πoυ χρησιµoπoιoύνται στις επόµενες διαoρές είναι µεγαλύτερες τoυ κόµβoυ αναoράς ενώ oι µέσες διαoρές κάνoυν χρήση συµµετρικά διατεταγµένων σηµείων. Ακoλoυθoύν πίνακες και για τις δύo κατηγoρίες. Η ποσότητα n/ είναι η διαoρά σε σηµείo πoυ ισαπέχει από τoυς κόµβoυς n και n. Γενικά, oι συντελεστές των τεταγµένων της n-oστής διαoράς είναι oι συντελεστές τoυ διωνύµoυ (a-b) n για τις επόµενες και τις πρoηγoύµενες διαoρές και για τις µέσες διαoρές άρτιας τάξης. Oι περιττές µέσες διαoρές (n) απoκτώνται από τη διαoρά (µε διάστηµα ίσo µε ) της (n-)-oστής διαoράς των σηµείων n και n-. Oι τεταγµένες των διαoρών τρίτης τάξης είναι συνεπώς: ( n ) / ( n) / n n n n n (6)

5 Η µέθοδος των πεπερασµένων διαορών. υναµική χαλάρωση n n n n n - - n n n - - n n n n n - 6 n n n n - n n Σχήµα Eπόµενες διαoρές n n n n n n/ n n n/ n/ n n n 6 n-/ n-/ n- n- - - n-/ n- Σχήµα Μέσες διαoρές

6 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές. Επίλυση συστηµάτων γραµµικών εξισώσεων Πoλλές µέθoδoι έχoυν αναπτυχθεί για την επίλυση συστηµάτων γραµµικών εξισώσεων, οι κυριότερες κατηγορίες των oπoίων είναι: Aπαλoιή κατά Gauss Αναγωγή Gauss-Jordan Mέθoδoς Gauss-Seidel Mέθoδoι Colesk, Doolittle, Crout Xαλάρωση Όλες οι παραπάνω µέθoδoι περιγράoνται στη βιβλιογραία της αριθµητικής ανάλυσης. Στο τέλος του παρόντος κεαλαίου περιγράεται µια µέθοδος επαναληπτικής χαλάρωσης. Η µέθoδoς της χαλάρωσης έχει συµβάλλει σηµαντικά στη λύση διαoρικών εξισώσεων και χρησιµoπoιήθηκε για πρώτη oρά στην αντoχή υλικών από τoν Ricardson. Παρακάτω περιγράεται µία από τις νεότερες µoρές των µεθόδων χαλάρωσης, η δυναµική χαλάρωση, η oπoία έχει απoδειχθεί ιδιαίτερα επιτυχής στην επίλυση εξισώσεων κατασκευών µε µη-γραµµική συµπεριoρά. Τo χαρακτηριστικό των µεθόδων χαλάρωσης είναι ότι δεν απαιτείται αντιστρoή τoυ µητρώoυ ακαµψίας αλλά ακολουθείται σταδιακή προσέγγιση στην ακριβή λύση µε επαναληπτική διαδικασία.. ιακριτοποίηση κατασκευών µε πεπερασµένες διαορές. Μoνoδιάστατα πρoβλήµατα Η εξίσωση ισoρρoπίας δoκoύ υπό κατανεµηµένo oρτίo είναι η παρακάτω: d M d q ή d d M EI (7) όπoυ Μ καµπτική ρoπή (θετική όταν θλίβεται η άνω ίνα) µετατόπιση (θετική πρoς τα άνω) Oι παραπάνω εξισώσεις εκράζoνται ως πεπερασµένες διαoρές µε την παρακάτω µoρή: M i M i M i qi (8α) δυναµική χαλάρωση dnamic relaation

7 Η µέθοδος των πεπερασµένων διαορών. υναµική χαλάρωση i i i M i EI (8β) Oι παραπάνω σχέσεις και oι oριακές συνθήκες θα συνδυασθoύν ώστε να διατυπωθεί ένα σύστηµα εξισώσεων µε αριθµό ίσo πρoς τoν αριθµό των αγνώστων. Παράδειγµα Η δoκός τoυ σχήµατoς έχει µήκoς L και έρει γραµµικά αυξανόµενo κατανεµηµένo oρτίo µε ελάχιστη τιµή 0 και µέγιστη τιµή q 0 στo δεξιό άκρo. Να απoκτηθoύν oι κατανoµές των καµπτικών ρoπών και των µετατoπίσεων. q O 0 L Σχήµα 5 Αµιέρειστη δoκός υπό κατανεµηµένo oρτίo Λύση (α) Η δoκός υπoδιαιρείται σε τέσσερα διαστήµατα. Oι oριακές συνθήκες των δυνάµεων είναι Μ 0 Μ 0. Η διατύπωση των σχέσεων για την ισoρρoπία στα σηµεία,, και oδηγεί στo παρακάτω σύστηµα τριών εξισώσεων µε τρεις αγνώστoυς: q0 0 M M (9α) q0 M M M (9β) q0 0 M M (9γ) Η λύση τoυ παραπάνω συστήµατoς δίνει τις εξής τιµές: Μ 0,65q 0 Μ q 0 (0α) (0β)

8 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές Μ 0,87q 0 (0γ) Τo σάλµα των παραπάνω τιµών είναι µηδενικό, διότι µόνo για την τέταρτη παράγωγo και ανώτερες πρoκύπτει αριθµητικό σάλµα. Στην περίπτωση αυτή oι παράγωγoι αυτές είναι µηδέν. (β) Για να απoκτηθoύν oι µετατoπίσεις καταστρώνoνται oι εξισώσεις ισoρρoπίας λαµβάνoντας υπόψη τις oριακές συνθήκες των µετατοπίσεων ( 0 0). Άρα, ( 0, q0 ) ( q0 ) EI ( 0, q ) 65 (α) EI (β) 87 0 (γ) EI Επιλύνoντας, απoκτώνται oι µετατoπίσεις της δoκoύ: -0,006(q 0 L /EI) -0,0068(q 0 L /EI) -0,005(q 0 L /EI) (α) (β) (γ) Τα αποτελέσµατα της αντίστοιχης θεωρητικής λύσης τoυ πρoβλή-µατoς είναι: -0,00(q 0 L /EI) -0,0065(q 0 L /EI) -0,0086(q 0 L /EI) (α) (β) (γ). Πεπερασµένες διαoρές σε δύo διαστάσεις Έστω συνάρτηση, όπου (, ). Oι τιµές των πεπερασµένων διαoρών της στo σηµείo (i, ) του πλέγµατος τoυ Σχήµατoς 6 θα εξαρτηθoύν από τις τιµές πoυ λαµβάνει η σε πεπερασµένες απoστάσεις από τo σηµείo i, στις διευθύνσεις,. Το πλέγµα αυτό είναι oρθoγώνιο, δύo διαστάσεων και τα διαστήµατα και στις δύo κατευθύνσεις είναι ίσα.

9 Η µέθοδος των πεπερασµένων διαορών. υναµική χαλάρωση 5 i-, i-, i-, - i,- i,- i, I, i, I, () (i) Σχήµα 6 Oρθoγώνιο πλέγµα µε ίσα διαστήµατα () Oι µέσες διαoρές πoυ αντιστoιχoύν στo σηµείo (i, ) είναι:, i, i i (α) i, i, i (β), i i,, i i (γ) i, i,, i i (δ) Η εξίσωση Laplace και η διαρµoνική εξίσωση της συνάρτησης (, ) είναι:

10 6 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές Αντικαθιστώντας από τις σχέσεις (γ) και (δ) η εξίσωση Laplace εκράζεται µε πεπερασµένες διαoρές ως εξής: ( i, ) ( i, ) ( i, ) ( i, ) ( i, ) ( i, ) (5) εάν. Τo σάλµα είναι τάξεως. Ένας εναλλακτικός τρόπoς παρoυσίασης της παραπάνω σχέσης δίνεται παρακάτω: q (6) D Αντίστoιχα, oι συντελεστές των διαoρών της διαρµoνικής εξίσωσης και η χωρική αντιστοιχία τους δίνoνται από τo παρακάτω σκαρίηµα. (/) -.. Λεπτά oρθoγώνια ελάσµατα υπό κάθετη (καµπτική) όρτιση Η εξίσωση ισoρρoπίας λεπτών ορθογωνίων ελασµάτων υπό κάθετη όρτιση q() ανά µέτρo επιάνειας είναι D q όπου: (7) κατά τη θεωρία των µικρών µετατoπίσεων. Στην παραπάνω σχέση D είναι o συντελεστής καµπτικής ακαµψίας ενώ είναι η µετατόπιση κάθετα στην επιάνεια του ελάσµατος. Oι καµπτικές ρoπές Μ, Μ και Μ και oι τέµνoυσες δυνάµεις Q, Q ανά µέτρo µήκoυς πλευράς δίνoνται από τις σχέσεις πoυ περιλαµβάνoνται στo

11 Η µέθοδος των πεπερασµένων διαορών. υναµική χαλάρωση 7 βιβλίο Η Μεταλλική Κατασκευή του Πλοίου. Θέµατα Τοπικής Αντοχής (Κεάλαιο ). -8 V (/ ) Η εξίσωση διαoρών δίνεται από τo παραπάνω πλέγµα. Στην παρoύσα περίπτωση o σταθερός όρoς ισoύται µε q 0 /D, όπoυ είναι τo διάστηµα στις δύo κατευθύνσεις. Η λύση τoυ πρoβλήµατoς απoκτάται µε την διατύπωση ενός συστήµατoς εξισώσεων τo oπoίo επιλύεται για συγκεκριµένες oριακές συνθήκες στα σύνoρα τoυ ελάσµατoς. Απoκτώνται έτσι oι τιµές των µετατoπίσεων σε όλoυς τoυς κόµβoυς. Oι καµπτικές ρoπές και oι τέµνoυσες δυνάµεις απoκτώνται από τις αντίστoιχες σχέσεις, εκρασµένες ως εξισώσεις διαoρών. Παράδειγµα Ένα απλά εδρασµένo τετράγωνo έλασµα πλευράς b έρει oρτίo τραπεζoειδoύς κατανoµής (Σχήµα 7). Τo έλασµα υπoδιαιρείται σε τέσσερα διαστήµατα σε κάθε κατεύθυνση, µε διάστηµα b/. Να υπολογισθούν oι µετατoπίσεις και oι καµπτικές ρoπές στoυς κόµβoυς τoυ ελάσµατος. Λύση Λόγω συµµετρίας, oι κόµβoι αριθµoύνται όπως δείχνει τo Σχήµα 7. Για κάθε εσωτερικό κόµβo, καταστρώνεται µία εξίσωση διαoρών. Σηµειώνεται ότι απαιτoύνται και κόµβoι εκτός των συνόρων τoυ ελάσµατoς (πλασµατικoί) για τoν oρισµό των oριακών συνθηκών. Oι κόµβoι αυτoί συµβoλίζoνται et (), et () κλπ, ενώ oι αντίστoιχoι εσωτερικoί int (), int () κλπ. Oι oριακές συνθήκες στα άκρα τoυ ελάσµατoς είναι:. b 0 για 0, b και 0, b. Μ 0 για 0, b. Μ 0 για 0, b

12 8 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές qo/ qo z -5 z - z - z 5 z z z z 0 z p b z 5 z z b Σχήµα 7 Απλά εδρασµένo έλασµα υπό κατανεµηµένo oρτίo q() Από τη συνθήκη έχoυµε v 0 για τo σηµείo p. Συνεπώς, int ()- b et (0)0 Άρα et ()- int () (απλή έδραση). Βλέπoυµε ότι, για απλά εδρασµένες πλευρές, η πλασµατική µετατόπιση έχει τo ίδιo µέγεθoς αλλά αντίθετo πρόσηµo µε την αντίστoιχη µετατόπιση στo εσωτερικό τoυ ελάσµατoς. Για πακτωµένες πλευρές, ισχύει et int. Για τo παρόν πρόβληµα, oι εξισώσεις διαoρών πoυ συνιστoύν τo σύστηµα πρoς επίλυση είναι: 0 0-8( ).( 5 ) 0,75q 0 /D 0-8( 0 5 )( ).( - ) 0,75q 0 /D 0-8( 0 )( ).( - ) 0,875q 0 /D 0-8( )( 0 ).( ) 0,875q 0 /D 0-8( 0 5 )( ).( - ) 0,65q 0 /D 0 5-8( )( 0 ).( ) 0,65q 0 /D

13 Η µέθοδος των πεπερασµένων διαορών. υναµική χαλάρωση 9 ή, ,,,,,, D q ] [ Oι µετατoπίσεις [ 0,,... 5 ] T υπολογίζονται επιλύνoντας τo παραπάνω σύστηµα. Oι σχέσεις διαoρών πoυ απαιτoύνται για να ευρεθoύν oι καµπτικές ρoπές και oι τέµνoυσες δυνάµεις είναι: v D M v D M D Q D Q όπoυ /, i i, i,, i, i i,, i / i, i, i, i, i, i, i,

14 0 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές και Παράδειγµα Το έλασµα τoυ σχήµατoς έρει oµoιόµoρα κατανεµηµένo oρτίo q N/m. Να διακριτoπoιηθεί η κατασκευή µε διαστήµατα διαστάσεων 5m, να διατυπωθoύν oι εξισώσεις ισoρρoπίας και να απoκτηθoύν σχέσεις για τις καµπτικές ρoπές Μ και M, Μ, και Μ στo σηµείo Η, συναρτήσει των µετατoπίσεων. Λύση Η ελαστική στήριξη κατά µήκoς της πλευράς Γ περιoρίzει πλήρως τις µετατoπίσεις κάθετα στην πλευρά ενώ αναπτύσσεται καµπτική ρoπή k Nm ανά µέτρo πλευράς ανά ακτίνιo περιστρoής της πλευράς. Στo σηµείo Θ περιoρίζεται επίσης η κάθετη µετατόπιση του ελάσµατος λόγω της παρoυσίας στύλoυ. Η κα- µπτική ακαµψία της πλευράς ισoύται µε D Nm. Η εξίσωση ισoρρoπίας είναι D q. Η εξίσωση αυτή ισχύει σε όλα τα σηµεία του ελάσµατος και συνεπώς στo σηµείo 5 θα έχoυµε: ( ) ( ) b b b Θ b A ( ) q / D 7 Εόσoν 0 η παραπάνω εξίσωση γράεται: b Θ A ( ) ( ) q / D Η εξίσωση ισoρρoπίας εαρµόzεται σε όλoυς τoυς υπόλoιπoυς δέκα εσωτερικoύς κόµβoυς τoυ πλέγµατoς, δηλ. τα σηµεία 6, 7, 0,,, 5, 7, 8, και. Απoκτάται έτσι ένα σύστηµα εξισώσεων ισoρρoπίας πoυ περιλαµβάνoυν όµως και άλλoυς πλασµατικoύς κόµβoυς. Εχoυµε λoιπόν συνoλικά 5 αγνώστoυς και απαιτoύνται επoµένως άλλες σχέσεις πoυ oρίζoνται από τις oριακές συνθήκες. Πακτωµένες πλευρές. Κατά µήκoς των πλευρών ΑΒ και ΒΓ oι µετατoπίσεις και oι κλίσεις είναι ίσες µε τo µηδέν, δηλαδή, 0 0 0

15 Η µέθοδος των πεπερασµένων διαορών. υναµική χαλάρωση A απλή έδραση Ζ Η Θ απλή έδραση Ε A πάκτωση Γ 5 5m Σχήµα 8 Έλασµα υπό κάθετo oρτίo Η πρώτη σχέση έχει ήδη χρησιµoπoιηθεί για να ααιρεθoύν oι όρoι b κλπ από τις εξισώσεις ισoρρoπίας. Η δεύτερη σχέση σε µoρή πεπερασµένων διαoρών είναι, κατά µήκoς της πλευράς ΑΒ: ( ) 0 εσ εξ

16 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές δηλ. εσ - εξ 0 Η ίδια σχέση ισχύει για oκτώ σηµεία κατά µήκoς των πλευρών ΑΒ και ΒΓ. Απλά εδρασµένες πλευρές. Για τις απλά εδρασµένες πλευρές απoκτάται µία αντίστoιχη σχέση, εξ εσ εόσoν Μ () 0 για τις πλευρές ΑZ, ΕZ. Συνoλικά πέντε σηµεία βρίσκoνται κατά µήκoς των δύo αυτών πλευρών. Ελαστική στήριξη. Η συνθήκη της ελαστικής στήριξης oρίzεται από σχέση της µoρής: M k k ( ) r Μ -Μ έλασµα 8 z θ δοκός στήριξης Η θετική oρά της ρoπής M είναι: M D Σχήµα 9 Ελαστικά στηριζόµενο έλασµα ( / v / ) D / εόσον / 0. Από τo σχήµα βλέπoυµε ότι oι oρές των ρoπών πoυ ασκούνται στο έλασµα και στη δoκό στήριξης έχoυν αντίθετα πρόσηµα. Άρα, 9 k ( 9 8 ) D εόσον b 0, δηλαδή, 9 8 D / k D / k 8 Απoκτώνται έτσι άλλες δύo εξισώσεις, πoυ πρoστιθέµενες στις υπόλoιπες συµπληρώνoυν τoν απαιτoύµενo αριθµό των 5. Τo σύστηµα αυτό επιλύεται µε

17 Η µέθοδος των πεπερασµένων διαορών. υναµική χαλάρωση υπoλoγιστική διαδικασία και πρoσδιoρίζoνται oι µετατoπίσεις σε όλη την επιάνεια του ελάσµατος. Από τις µετατoπίσεις µπoρoύµε να αντικαταστήσoυµε στις σχέσεις πoυ εκράζoυν τις καµπτικές ρoπές στo σηµείo Θ και να τις υπoλoγίσoυµε άµεσα. H v D M Νm ανά µέτρo πλάτoυς πλευράς H v D M Νm ανά µέτρo πλάτoυς πλευράς M v D M Νm ανά µέτρo πλάτoυς πλευράς Oι σχέσεις (γ) και (δ) δίνoυν: { } { } b H { } 5 0 H Οι µέσες διαορές στο σηµείο Η είναι: { } b H 0 H { } 0 A b b Q Άρα, { } v D M (Nm/m) { } v D M (Nm/m) και 0 M M

18 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές Παράδειγµα Η Θ Α 50mm Ζ Ι Β 50mm Ε Γ Σχήµα 0 ιατoµή τετράγωνης δoκoύ Σε δoκό µε τετράγωνη διατoµή πλευράς 00 mm ασκείται στρεπτική ρoπή 00 knm. Να διακριτoπoιηθεί η διατoµή µε πλέγµα πεπερασµένων διαoρών και να: (α) ιατυπωθεί η εξίσωση Laplace ως σύστηµα εξισώσεων και να υπολογισθoύν oι τιµές της συνάρτησης στρέψης σε όλoυς τoυς κόµβoυς. (β) Υπολογισθεί η σταθερά στρέψης St Venant της διατoµής (J). (γ) Υπολογισθεί η γωνία στρέψης θ, εάν G80000 Ν/mm. (δ) Υπολογισθούν oι διατµητικές τάσεις στα σηµεία Α, Β, Ι και Θ. Λύση (α) Aν λάβoυµε υπόψη τις συµµετρίες γεωµετρίας και όρτισης µπoρoύµε να περιoρίσoυµε την ανάλυση στo ένα όγδoo της διατoµής. Επιλέγoυµε διάστηµα 0 mm και υπoδιαιρoύµε τη διατoµή όπως δείχνει τo Σχήµα. Ακόλoυθα αριθµoύµε τoυς κόµβoυς. Η εξίσωση Laplace σε πεπερασµένη µoρή δίνεται από τη σχέση (5), όπoυ 0 mm. Εάν εαρµόσoυµε την εξίσωση Laplace - στoν κόµβo (, ), έχoυµε: (,)(,)(,)(,)-(,)- -00 Κατά µήκoς των πλευρών ΑΒ και ΑΘ ισχύει 0. Επίσης, λόγω συµµετρίας, (, )(, )(, )(, ). Συνεπώς, (, )-(, )-00 Παρόµoια, (, )(, ) και (, 5)(5, ). Εάν εαρµόσoυµε την εξίσωση Laplace σε όλoυς τoυς κόµβoυς ((, ) έως (6, 6)) απoκτάµε σύστηµα 5 εξισώσεων µε αγνώστoυς τις τιµές της συνάρτησης στρέψης. Η αντίστoιχη µητρωική εξίσωση είναι ΑΒ, η oπoία δίνεται αναλυτικά στην επόµενη σελίδα. Σε

19 5 () () () () () () ()

20 Η µέθοδος των πεπερασµένων διαορών. υναµική χαλάρωση 7 (6,8) (7,8) (8,8) (6,7) (7,7) A (8,7) (5,6) (6,6) 0mm (7,6) (8,6) (,5) (5,5) (6,5) (7,5) (8,5) (,) (,) (5,) (6,) (7,) (8,) (,) (,) (,) (5,) (6,) (7,) (8,) (,) (,) (,) (,) (5,) (6,) (7,) (8,) B (,) (,) (,) (,) (5,) (6,) (7,) (8,) Σχήµα Πλέγµα πεπερασµένων διαoρών σε ένα όγδoo της διατοµής συνέχεια γίνεται αντιστρoή τoυ µητρώoυ Α µε µία από τις συνηθισµένες µεθόδoυς (για παράδειγµα απαλoιή κατά Gauss) για να απoκτηθεί η παρακάτω λύση: [,6,6, 0,9,,6 6,86 8,59 9,56 9,86,56, 5,08 5,60 5,77] (β) Η σταθερά J δίνεται από τη σχέση: J da της διατoµής δoκoύ και συνεπώς απαιτείται να υπoλoγισθεί o όγκoς τoυ χώρoυ πoυ oρίζεται από τις συντεταγµένες της συνάρτησης. Εάν η περιoχή ΑΒΙ υπoδιαιρεθεί σε τρίγωνα, η σταθερά J θα βρεθεί µε άθρoιση των επί µέρoυς όγκων των τριγώνων. Η σταθερά στρέψης J όλης της διατoµής ισoύται µε 8 oρές τη σταθερά πoυ αντιστoιχεί στo τρίγωνo ΑΒI.

21 8 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές O όγκoς ενός στoιχείoυ τoυ χώρoυ θα είναι τότε ίσoς µε τo εµβαδόν της βάσης επί τo µέσo ύψoς. Στo συγκεκριµένo παράδειγµα τo εµβαδόν της βάσης ισoύται µε 0 /, και συνεπώς για τo τρίγωνo µε ακµές στoυς κόµβoυς (,), (, ) και (, ) o όγκoς θα είναι: (00/6)((, )(, )(, ))/ Για τα τρίγωνα µε ακµές στoυς κόµβoυς (, ), (, ), (, ) και (, ), (, ) (, ) oι αντίστoιχoι όγκoι είναι: Όγκoς (00/6)((,)(,)(,)// Όγκoς (00/6)((,)(,)(,)// Τo άθρoισµα των µερικών όγκων ισoύται µε τo συνoλικό όγκo στo χώρo ΑΒΙ. Όγκoς χώρoυ ΑΒΙ: 00 V ABI ((, )(, )(, )(, ) 6(6, )(6, )) 6 Για ολόκληρη τη διατοµή, ( 6) J da V ABI (,6)(0 7 ) mm (γ) Η γωνία στρέψης κατά St.Venant δίνεται από τη σχέση: T θ (Νmm)/(80.000)(Ν/mm )(,6)(0) 7 (mm ) GJ 9,6 0-8 rad/mm (δ) Oι διατµητικές τάσεις στα σηµεία Α, Β, Ι και Θ δίνoνται από τις σχέ σεις: T τ z J Στo σηµείo Β τ z 0 διότι / 0 τ z (Β) (T/J)((Β)-(Β)-(6,))/ -(00000/(,6)(0) 7 (0))(0-9,86)(00) 0,75 Ν/mm

22 Η µέθοδος των πεπερασµένων διαορών. υναµική χαλάρωση 9 (7,7) Α (6,6) (7,6) (5,5) (6,5) (7,5) (,) (5,) (6,) (7,) 50mm (,) (,) (5,) (6,) (7,) Ι (,) (,) (,) (5,) (6,) (7,) Β Σχήµα Τριγωνικό πλέγµα για τoν υπoλoγισµό της Τo θετικό πρόσηµo υπoδηλώνει ότι η τ z έχει θετική oρά περί τον άξoνα, δηλαδή η oρά της εξωτερικής ρoπής Τ είναι θετική, όπως υπoθέσαµε αρχικά. (Η θετική oρά για τη στρεπτική ρoπή είναι αντίθετα εκείνης των δεικτών τoυ ρoλoγιoύ.) Με παρόµoιo τρόπo υπoλoγίζoνται oι τάσεις στα σηµεία Α και Ι... Βελτίωση της απόδoσης λύσεων µε πεπερασµένες διαoρές Τα σάλµατα πoυ πρoκύπτoυν κατά την διακριτoπoίηση µιας κατασκευής µε πεπερασµένες διαορές περιγράονται στο Κεάλαιο. Εάν θελήσoυµε να περιoρίσoυµε τα σάλµατα αυτά πρέπει να ληθoύν υπόψη κατά τη διατύπωση των σχέσεων διαoρών. Για παράδειγµα, στην περίπτωση τoυ Παραδείγµατoς γράεται ως εξής: M i (8) EI i i i i i i i i i i i i i ή M ( 6 ) (9) EI

23 0 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές Μπoρoύµε τώρα να αντικαταστήσoυµε τη σχέση (δ) µε αυτήν. Εάν συµπεριλάβoυµε τoν όρo τoυ σάλµατoς: ( i i 6i i i ) / στo σηµείo και για τα δύo σηµεία και, τo σύστηµα των εξισώσεων ισoρρoπίας γίνεται: ( 0, q ) 0, 5 0, 65, (0α) EI ( q ), 7, 5, 0 EI ( 0, q ) 0, 5, , 0 EI Oι λύσεις πoυ πρoκύπτoυν είναι: 0, 00 0, , 008 ( q L / EI ) 0 ( q L / EI ) 0 ( q L / EI ) 0 (0β) (0γ) (α) (β) (γ) και συγκρίνoντας µε τα απoτελέσµατα της αναλυτικής λύσης, (σχέσεις α-γ), παρατηρoύµε ότι τo σάλµα έχει περιoρισθεί σηµαντικά. Όταν γίνεται χρήση υπoλoγιστικών πρoγραµµάτων είναι ευκoλότερo να υπoλoγίζεται o διoρθωτικός όρoς από την πρoηγηθείσα λύση. Η διαδικασία αυτή καλείται σταδιακή πρoσέγγιση. Έστω τώρα ότι δεν έχoυµε σταθερό διάστηµα, αλλά µεταβαλλόµενo διάστηµα. Τότε, για την παρακάτω διάταξη, α τα αναπτύγµατα Τalor είναι: ( a) a ( a) ( a)...!! ()

24 Η µέθοδος των πεπερασµένων διαορών. υναµική χαλάρωση!! ( )... () Επιλύνoντας ως πρoς () και αντικαθιστώντας τoν όρo έχoυµε: [ ( a) ( a ) a ( ) ] a( a ) σάλµα τάξης () Με παρόµoιo τρόπo έχoυµε: [ ( a) ( a) a ( ) ] a( a ) σάλµα τάξης (για α ) (5) Σε δύo διαστάσεις, τo πλέγµα της εξίσωσης Laplace είναι: α(α) β αβ ( α)( β) αβ(β) -(α)(β)(αβ) α β(β) αβ(α) Τo σάλµα είναι της τάξης. Για oρθoγώνιo πλέγµα µε διαστήµατα στην διεύθυνση Ο και διαστήµατα α στην διεύθυνση Ο oι σχέσεις και γράoνται: (6α) () i [ ( 9) 6 ( i) ] δ ( a) Εάν θέσoυµε: () i (6β) ( a) [ ( 0) 6 ( i) ] δ

25 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές () i ( i) δ και δ () i ( i), τότε, δ δ δ ( a) ( a) [ δ δ ( i) δ ] a {[ ( 5) ( 6) ] a [ () ( i) ] 8 [ ( i) ] [ ( 7) ]} (7) Ο διαρµονικός τελεστής του πλέγµατος του Σχήµατος είναι τότε: α α α α α a α 6α 8α 6 a α α α a α α

26 Η µέθοδος των πεπερασµένων διαορών. υναµική χαλάρωση a i l Σχήµα Πεπερασµένες διαoρές σε δύo διαστάσεις µε διαoρετικά διαστήµατα 5. Η µέθοδος της δυναµικής χαλάρωσης. Γενικές παρατηρήσεις Η δυναµική χαλάρωση είναι µία επαναληπτική διαδικασία που χρησιµοποιείται για την επίλυση διαορικών εξισώσεων. Αναπτύχθηκε την περίοδο και έχει βρει εαρµογή στη µελέτη της µη-γραµµικής συµπεριοράς κατασκευών. Η µέθοδος βασίζεται στη χρήση των εξισώσεων ισορροπίας και συµβιβαστού (γεωµετρίας, υλικού), οι οποίες διατυπώνονται σε πεπερασµένη µορή. Οι οριακές συνθήκες επίσης διατυπώνονται ως διαορές και εκράζονται είτε ως σχέσεις µετατοπίσεων είτε ως σχέσεις ορτίων (δυνάµεων) κατά µήκος των άκρων της κατασκευής. Ένα από τα βασικά προτερήµατα της µεθόδου είναι ότι δεν απαιτούνται αρχικές παραδοχές για το πεδίο των µετατοπίσεων, και έτσι διατηρείται η γενικότητα της λύσης. Επίσης, επειδή η µέθοδος είναι επαναληπτική δεν χρειάζεται να γίνει αντιστροή του µητρώου ακαµψίας, η οποία είναι µία χρονοβόρα υπολογιστική διαδικασία (βλ. κλασσική διατύπωση πεπερασµένων διαορών, πεπερασµένα στοιχεία). Το βασικό µειονέκτηµα της δυναµικής χαλάρωσης σε σύγκριση µε την µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων είναι η έλλειψη γενικότητας του κώδικα. Αυτό άλλωστε χαρακτηρίζει γενικότερα όλες τις µεθόδους που βασίζονται σε πεπερασµένες διαορές, όπως επίσης και το γεγονός ότι δύσκολα (ή τουλάχιστον δυσκολότερα από τη ΜΠΣ) γίνεται χρήση πλέγµατος µε µεταβαλλόµενες διαστάσεις. Το µειονέκτηµα αυτό δεν επιτρέπει την απόκτηση λύσεων σε πεδία στα οποία η µεταβλητή αλλάζει ραγδαία (π.χ. συγκεντρώσεις τάσεων).

27 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές Υπάρχει όµως µία µεγάλη κατηγορία αρκετά περίπλοκων προβληµάτων για τα οποία η δυναµική χαλάρωση επιτρέπει την απόκτηση λύσεων σχετικά εύκολα. Η µέθοδος είχε χρησιµοποιηθεί αρχικά για την επίλυση των εξισώσεων παλιρροιακής κίνησης των θαλασσίων κυµάτων. Η λύση αυτού του προβλήµατος έχει τη µορή αρµονικής ταλάντωσης, βρέθηκε όµως ότι εάν προστεθεί ένας όρος απόσβεσης στην εξίσωση κίνησης αποκτώνται λύσεις για αντίστοιχα στατικά προβλήµατα οι οποίες είναι αριθµητικά ευσταθείς. Το γεγονός αυτό δηµιούργησε τη δυνατότητα απόκτησης λύσεων για ένα πολύ ευρύτερο άσµα προβληµάτων. Μέχρι τώρα έχουν αποκτηθεί λύσεις εξισώσεων δοκών, δοκών-κολόνων, ελασµάτων, κελυών και άλλων παρόµοιων κατασκευών για πολλών ειδών οριακές συνθήκες και ορτίσεις στην γραµµική ελαστική αλλά και στην ελαστο-πλαστική περιοχή. 5. Περιγραή της µεθόδου A C B A k0 B k>k C kk crit crit Σχήµα Απόκριση γραµµικού συστήµατος ενός βαθµού ελευθερίας µε διάορους συντελεστές απόσβεσης Στο Σχήµα εικονίζεται η δυναµική απόκριση γραµµικού συστήµατος ενός βαθµού ελευθερίας. Η καµπύλη Α αντιστοιχεί σε ελεύθερη ταλάντωση ενώ οι καµπύλες Β και C αντιστοιχούν σε ταλαντώσεις µε απόσβεση. Συγκεκριµένα, η καµπύλη Β αντιστοιχεί σε απόσβεση µεγαλύτερη της κρίσιµης ενώ η καµπύλη C αντιστοιχεί σε απόσβεση µικρότερη της κρίσιµης. Η µέθοδος της δυναµικής χαλάρωσης επιζητά την σταθερή (στατική) λύση και γι αυτό για να ελαχιστοποιηθεί ο αριθµός των επαναλήψεων ακολουθείται η καµπύλη C. Η καµπύλη Α αποτελεί τη βάση λύσεων δυναµικών προβληµάτων. Κατά κανόνα η τιµή του συντελεστή απόσβεσης που απαιτείται πρέπει να είναι λίγο µικρότερη της κρίσιµης. Μπορούµε να ελέγξουµε κατά πόσο ο συντελεστής απόσβεσης είναι κοντά στον απαιτούµενο από τα αποτελέσµατα της ανάλυσης. Η καµπύλη Β αντιστοιχεί σε συµπεριορά µε απόσβεση µεγαλύτερη της κρίσιµης και στην περίπτωση αυτή απαιτείται µεγαλύτερος αριθµός επαναλήψεων.

28 Η µέθοδος των πεπερασµένων διαορών. υναµική χαλάρωση 5 5. Μαθηµατική διατύπωση της µεθόδου Ως παράδειγµα για τη διατύπωση λύσης µε τη µέθοδο της δυναµικής χαλάρωσης θα θεωρήσουµε την εξίσωση ισορροπίας ορθογωνίων ελασµάτων µε µικρές µετατοπίσεις. Η εξίσωση είναι: M M M q 0 (8) Εάν υποθέσουµε ότι το έλασµα έρει δυναµικό ορτίο, τότε το δεξιό σκέλος της παραπάνω εξίσωσης θα είναι διάορο του µηδενός και θα ισούται µε p(t), (ορτίο), που µεταβάλλεται στο χρόνο. Σε κάθε κόµβο του ελάσµατος η εξίσωση κίνησης θα είναι: ρ c p d ή ρ c p( t ) dt (9α) (9β) Εάν χρησιµοποιήσουµε πεπερασµένες διαορές στο χρόνο και εισάγουµε τον συντελεστή απόσβεσης k σε αδιάστατη µορή (k ct/ρ), έχουµε: k ρ t t p (0) Οι µετατοπίσεις ορίζονται σε χρόνους t, tt, tt κλπ, ενώ οι ταχύτητες ορίζονται σε χρόνους tt/, tt/, t5t/ κλπ. Συνεπώς, (r-) t (i,-) (i,) (i,) t/ t Σχήµα 5 Πλέγµα πεπερασµένων διαορών (χρόνος, διάστηµα)

29 6 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές r r (α) r (β) r / Συνδυάζοντας τις παραπάνω σχέσεις µε την εξίσωση ισορροπίας έχουµε: k / t r r () k / ρ ( k / ) p όπου το ορτίο p υπολογίζεται κάνοντας χρήση των µετατοπίσεων σε χρόνο t. Ολοκληρώνοντας τις ταχύτητες αποκτώνται οι µετατοπίσεις σε χρόνο tt t () r r r Η σχέση () πολλαπλασιάζεται επί t: ( t) ( k / ) p k / r r () k / ρ Η σχέση () εκράζει τον αλγόριθµο της δυναµικής χαλάρωσης µε απόσβεση. 5. Αριθµητική ευστάθεια και σύγκλιση Μία από τις επαναληπτικές µεθόδους που δίνονται στη βιβλιογραία είναι και η δευτεροτάξια διαδικασία του Ricardson που εκράζεται από τη σχέση: λ λ min ma r r P (5) λ λ λmin λ min ma ma όπου λ min και λ ma είναι οι µικρότερες και µεγαλύτερες ιδιοτιµές του µητρώου ακαµψίας της κατασκευής αντίστοιχα. Εάν συγκρίνουµε τις σχέσεις () και (5) παρατηρούµε ότι είναι ταυτόσηµες. Μπορούµε συνεπώς να αποκτήσουµε τιµές για τις σταθερές ευστάθειας και σύγκλισης (t, ρ και k) εξισώνοντας τους συντελεστές των δύο σχέσεων. Έχουµε: ( t) ρ λ ma λ min (6α) λminλma k (6β) λ λ min ma

30 Η µέθοδος των πεπερασµένων διαορών. υναµική χαλάρωση 7 Το θεώρηµα του Gersgorin µας επιτρέπει να υπολογίσουµε το άνω όριο για την τιµή της µεγαλύτερης ιδιοτιµής ( b λ ) G ma b b G ma n i S i (7) Η εαρµογή της παραπάνω σχέσης στην εξίσωση ισορροπίας πλακών δίνεται στο εδάιο που ακολουθεί. Η ανάλυση ευστάθειας της εξίσωσης ορθογωνίων λεπτότοιχων ελασµάτων µε µικρές µετατοπίσεις (6) περιλαµβάνεται στο εδάιο.5.5. Το αποτέλεσµα είναι: b G 6D (8) και επειδή στα περισσότερα προβλήµατα ισχύει λ << λ, έχουµε: t (9) ρ b G Από την ανάλυση ευστάθειας παίρνουµε την κρίσιµη τιµή του λόγου t /ρ. Γενικά, το όριο Gersgorin (b G ) µεταβάλλεται στον χώρο αλλά και στον χρόνο και συνεπώς για να προσδιορισθεί ο λόγος t /ρ πρέπει είτε α) να χρησιµοποιηθεί η πραγµατική τιµή της µάζας ανά µονάδα επιάνειας (ρ) και να εκρασθεί το διάστηµα χρόνου (t) ως συνάρτηση του ορίου Gersgorin είτε β) να χρησιµοποιήσουµε νοητό διάστηµα χρόνου (για παράδειγµα ίσο µε τη µονάδα) και να θεωρηθεί το µέγεθος της πλασµατικής πυκνότητας (µάζα ανά µονάδα επιάνειας) ως το κριτήριο ευστάθειας. Έχει βρεθεί ότι η δεύτερη µέθοδος απαιτεί µικρότερο αριθµό επαναλήψεων και συνεπώς προτιµάται σε στατικά προβλήµατα. Σε δυναµικά προβλήµατα όµως πρέπει να χρησιµοποιηθεί η πραγµατική τιµή της µάζας ανά µονάδα επιάνειας για να αποδοθεί η σωστή απόκριση και συνεπώς ως όριο ευστάθειας λαµβάνουµε το µέγιστο επιτρεπόµενο χρονικό διάστηµα. Συνοψίζοντας, για στατικά και δυναµικά προβλήµατα τα όρια ευστάθειας είναι: min ma b ρ G (εάν t) (0α) ή ρ t (ρ πυκνότητα υλικού) (0β) b G

31 8 Υπολογιστικές µέθοδοι και εαρµογές σε λεπτότοιχες κατασκευές αντίστοιχα. Η ταχύτητα σύγκλισης εξαρτάται από την τιµή του συντελεστή k. Όταν χρησιµοποιείται πλασµατική πυκνότητα (ρ) ο συντελεστής k κείται στο πεδίο >k>0 και η ακριβής τιµή του εξαρτάται από τα γενικότερα χαρακτηριστικά της κατασκευής (γεωµετρία, οριακές συνθήκες, διακριτοποίηση) και πιο σηµαντικά από το αν η εξίσωση εκράζει οµοεπίπεδη ή όχι µετατόπιση. Στις εξισώσεις ορθογωνίων ελασµάτων οι µετατοπίσεις u και v είναι οµοεπίπεδες ενώ η είναι η µετατόπιση κάθετα στο επίπεδο του ελάσµατος. Ο συντελεστής απόσβεσης k συνήθως δεν υπερβαίνει την τιµή 0,0 ενώ οι συντελεστές k u και k v είναι περίπου 0,5-0,5. Εάν µελετάται η δυναµική συµπεριορά µε κρίσιµη απόσβεση τότε οι τιµές των συντελεστών απόσβεσης βρίσκονται από τις σχέσεις: ω o k cr π Nt (α) π ωot N (β) όπου ω o είναι η κυκλική συχνότητα των ιδιοταλαντώσεων της κατασκευής και Ν είναι ο απαιτούµενος αριθµός επαναλήψεων για µία πλήρη ταλάντωση. Έχοντας προσδιορίσει τις συνθήκες αριθµητικής ευστάθειας και σύγκλισης θα εξετάσουµε τον τρόπο επιβολής του εξωτερικού ορτίου στην κατασκευή. Εάν θεωρήσουµε έλασµα µε θλιπτικό ορτίο, µπορούµε είτε να ορίσουµε τις τιµές των τάσεων κατά µήκος των πλευρών που θλίβονται, είτε να ορίσουµε τις µετατοπίσεις (µείωση του µήκους) των πλευρών σε κάθε στάδιο όρτισης. Όταν διεξάγεται µηγραµµική ανάλυση χρησιµοποιείται µόνο ο δεύτερος τρόπος διότι η κατανοµή των τάσεων στις πλευρές που θλίβονται δεν είναι γνωστή. Εάν όµως ορίσουµε τις επιβαλλόµενες µετατοπίσεις, τότε η διαδικασία της χαλάρωσης θα αποδώσει τις κατανοµές των τάσεων που αντιστοιχούν. Η εντατική κατάσταση του ελάσµατος αντιστοιχεί αρχικά σε κάποιο συγκεκριµένο σηµείο της καµπύλης όρτισης. Εάν αυξήσουµε τις µετατοπίσεις των πλευρών που θλίβονται το έλασµα θα υποστεί ταλαντώσεις οι οποίες θα αποσβεσθούν και το έλασµα θα αποκτήσει νέα εντατική κατάσταση. Κατά τον τρόπο αυτό η ανάλυση µπορεί να επεκταθεί σε όλο το πεδίο συµπεριοράς (µη-γραµµική περιοχή, αστοχία, κατάρρευση). Εάν η όρτιση συνίσταται σε κάθετα κατανεµηµένο ορτίο τότε αυτό εισάγεται στη διαδικασία απευθείας από τις εξισώσεις ισορροπίας (π.χ. σχέση (6)). Η διαδικασία απόσβεσης της δυναµικής συµπεριοράς (ταλαντώσεων) µε τη γνωστή µέθοδο της χαλάρωσης οδήγησε στην επονοµασία της µεθόδου. Όταν επιβάλλεται µία µετατόπιση σε ένα κόµβο της κατασκευής, σε κάθε επανάληψη επιλύονται οι εξισώσεις ισορροπίας και συµβιβαστού σε συνδυασµό µε τις επικρατούσες οριακές συνθήκες, σε όλους τους κόµβους. Ισχύει λοιπόν µία δεδοµένη εντατική δυναµική κατάσταση και στον συγκεκριµένο κόµβο στο εσωτερικό της κατασκευής δεν επικρατεί στατική ισορροπία. Αυτό εκράζεται από το ότι το δεξιό σκέλος της σχέσης (8) είναι