Metoda Przemieszczeń

Metoda Przemieszczeń

maja 7, 2019

Wprowadzenie

Metoda przemieszczeń – metoda zwana także metodą odkształceń, pozwalająca obliczać układy statycznie niewyznaczalne.

Co to są układy statycznie niewyznaczalne, możesz dowiedzieć się w artykule Konstrukcje statycznie niewyznaczalne.

Algorytm obliczeń

  1. Wyznaczanie stopnia kinematycznej niewyznaczalności układu
  2. Przyjęcie układu podstawowego i układu równań kanonicznych
  3. Obliczenie łańcucha kinematycznego
  4. Obliczanie układu równań kanonicznych (macierz sztywności)
  5. Obliczanie momentów przywęzłowych, sił tnących i sił normalnych
  6. Obliczenie i sprawdzanie reakcji podporowych

Przykład obliczeniowy

Zadanie: Wyznaczyć wykresy M, T, N dla ramy przedstawionej na poniższym schemacie przy pomocy metody przemieszczeń.

1. Schemat zadania

Rys. 1. Schemat układu

Współrzędne węzłów:

  • Węzeł 1: x = 0.000 m, y = 0.000 m
  • Węzeł 2: x = 2.000 m, y = 0.000 m
  • Węzeł 3: x = 2.000 m, y = 2.000 m

Przyjęto przekrój podstawowy:

  • I = 3060 cm⁴
  • E = 205 GPa
  • Globalne EI = 6273 kNm²
  • Globalne EA = 809750 kN

2. Ustalenie stopnia kinematycznej niewyznaczalności układu (SKN)

Węzły o nieznanych obrotach:

φ = 1 = węzły - podpory - przeguby

SKN = φ + Δ = 2

Układ jest 2-krotnie kinematycznie niewyznaczalny.

3. Przyjęcie układu podstawowego

Układ równań kanonicznych:

[r11r12r21r22][φ1δ2]+[r1Pr2P]=[00]\begin{bmatrix} r_{1-1} & r_{1-2} \\ r_{2-1} & r_{2-2} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \varphi_1 \\ \delta_2 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} r_{1P} \\ r_{2P} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix}

Rys. 2. Układ podstawowy metody przemieszczeń

4. Obliczenie zależności kątowych obrotu cięciw prętów układu

Obliczenie zależności kątowych obrotu cięciw prętów układu potrzebnych do wyznaczenia macierzy sztywności dla stanu Stan δ₂, Δ=1.

Wybieram węzeł przesuwany 1.

Węzeł przemieści się wtedy o:

dx=Δsinβ=1(1)=1dx = \Delta \cdot \sin\beta = 1 \cdot (-1) = 1dy=Δcosβ=10=0dy = -\Delta \cdot \cos\beta = 1 \cdot 0 = 0

Przyjęte przemieszczenie i kąt podstawiam do łańcuchów kinematycznych jako wiadome.

Łańcuch obliczany: 1-2, 2-3

{Ψ12(20)+Ψ23(22)=(0)Ψ12(00)+Ψ23(02)=(1)\begin{cases} \downarrow \quad \Psi_{1-2}(2-0) + \Psi_{2-3}(2-2) = (0) \\ \rightarrow \quad \Psi_{1-2}(0-0) + \Psi_{2-3}(0-2) = (-1) \end{cases}{Ψ122+Ψ230=(0)Ψ120+Ψ23(2)=(1)\begin{cases} \downarrow \quad \Psi_{1-2} \cdot 2 + \Psi_{2-3} \cdot 0 = (0) \\ \rightarrow \quad \Psi_{1-2} \cdot 0 + \Psi_{2-3} \cdot (-2) = (-1) \end{cases}{Ψ122+Ψ230=(0)Ψ120+Ψ23(2)=(1)\begin{cases} \downarrow \quad \Psi_{1-2} \cdot 2 + \Psi_{2-3} \cdot 0 = (0) \\ \rightarrow \quad \Psi_{1-2} \cdot 0 + \Psi_{2-3} \cdot (-2) = (-1) \end{cases}

Po obliczeniu równania:

Ψ12=(0)1m\Psi_{1-2} = (0)\frac{1}{m}Ψ23=0.51m\Psi_{2-3} = 0.5\frac{1}{m}

Rys. 3. Łańcuch kinematyczny Stan δ2 Δ=1

5. Stan φ₁

M21=3EIL=312=1.5EImM_{2-1} = \frac{3 \cdot EI}{L} = \frac{3 \cdot 1}{2} = 1.5\frac{EI}{m}M23=4EIL=412=2EImM_{2-3} = \frac{4 \cdot EI}{L} = \frac{4 \cdot 1}{2} = 2\frac{EI}{m}M12=0EImM_{1-2} = 0\frac{EI}{m}M32=2EIL=212=1EImM_{3-2} = \frac{2 \cdot EI}{L} = \frac{2 \cdot 1}{2} = 1\frac{EI}{m}

Rys. 4. Stan φ₁

6. Stan δ₂

M23=Δ236EIL2=16I4=(1.5)EIm2M_{2-3} = -\frac{\Delta_{2-3} \cdot 6 \cdot EI}{L^2} = -\frac{1 \cdot 6 \cdot I}{4} = (-1.5)\frac{EI}{m^2}M32=Δ236EIL2=16I4=(1.5)EIm2M_{3-2} = -\frac{\Delta_{2-3} \cdot 6 \cdot EI}{L^2} = -\frac{1 \cdot 6 \cdot I}{4} = (-1.5)\frac{EI}{m^2}

Rys. 5. Stan δ₂

7. Stan P - obciążenie mpq

q pręt = 1-2:

M12=0 kNmM_{1-2} = 0\ \text{kNm}M21=1021822[4(2212)22]=5 kNmM_{2-1} = \frac{10 \cdot 2 \cdot 1}{8 \cdot 2^2} \left[4(2^2 - 1^2) - 2^2\right] = 5\ \text{kNm}

P pręt = 2-3:

M23=1011222=(2.5) kNmM_{2-3} = -\frac{10 \cdot 1 \cdot 1^2}{2^2} = (-2.5)\ \text{kNm}M32=1011222=2.5 kNmM_{3-2} = \frac{10 \cdot 1 \cdot 1^2}{2^2} = 2.5\ \text{kNm}

Rys. 6. Stan P

8. Współczynniki macierzy sztywności i wyrazów wolnych

r11=jM1j1+k1φr_{1-1} = \sum_j M_{1j}^1 + k_1^\varphir11=1.5EIm+2EIm=3.5EImr_{1-1} = 1.5\frac{EI}{m} + 2\frac{EI}{m} = 3.5\frac{EI}{m}r12=jM1j2r_{1-2} = \sum_j M_{1-j}^2r12=(1.5)EIm2+(1.5)EIm2r_{1-2} = (-1.5)\frac{EI}{m^2} + (-1.5)\frac{EI}{m^2}r22=ij(Mij2+Mji2)Ψij2+jkjδδj2δj2r_{2-2} = -\sum_{ij}\left(M_{ij}^2 + M_{ji}^2\right)\Psi_{ij}^2 + \sum_j k_j^\delta \delta_j^2 \delta_j^2r22=((1.5)+(1.5))0.5EIm2=1.5EIm2r_{2-2} = -((-1.5) + (-1.5)) \cdot 0.5\frac{EI}{m^2} = 1.5\frac{EI}{m^2}r21=ij(Mij1+Mji1)Ψij2r_{2-1} = -\sum_{ij}\left(M_{ij}^1 + M_{ji}^1\right)\Psi_{ij}^2r21=(0+1.5)(0)EIm2(2+1)0.5EIm2=(1.5)EIm2r_{2-1} = -(0 + 1.5) \cdot (0)\frac{EI}{m^2} - (2 + 1) \cdot 0.5\frac{EI}{m^2} = (-1.5)\frac{EI}{m^2}r1P=jM1jPM1Pr_{1-P} = \sum_j M_{1j}^P - M_1^Pr1P=5+(2.5)+(10)=(7.5) kNmr_{1-P} = 5 + (-2.5) + (-10) = (-7.5)\ \text{kNm}r2P=ij(MijP+MjiP)Ψij2+PPpδp2r_{2-P} = -\sum_{ij}\left(M_{ij}^P + M_{ji}^P\right)\Psi_{ij}^2 + \sum_{P} P_p \cdot \delta_p^2r2P=((2.5)+2.5)0.5+01+200+(10)0.5+0+0=5 kNr_{2-P} = ((-2.5) + 2.5) \cdot 0.5 + 0 \cdot 1 + 20 \cdot 0 + (-10) \cdot 0.5 + 0 + 0 = 5\ \text{kN}

9. Układ równań kanonicznych

[3.5(1.5)(1.5)1.5][φ1δ2]=[(7.5)5]=[00]\begin{bmatrix} 3.5 & (-1.5) \\ (-1.5) & 1.5 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} |\varphi_1| \\ |\delta_2| \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} (-7.5) \\ 5 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix}

Po rozwiązaniu układu otrzymano:

φ1=1.25kNm2EI\varphi_1 = 1.25 \cdots \frac{kN \cdot m^2}{EI}δ2=(2.08333)kNm3EI\delta_2 = (-2.08333) \cdots \frac{kN \cdot m^3}{EI}

10. Obliczenie momentów przywęzłowych

Zgodnie ze wzorem:

Mik=Mik0+Mik1φ1+Mik2δ2M_{ik} = M_{ik}^0 + M_{ik}^1 \cdot \varphi_1 + M_{ik}^2 \cdot \delta_2Mki=Mki0+Mki1φ1+Mki2δ2M_{ki} = M_{ki}^0 + M_{ki}^1 \cdot \varphi_1 + M_{ki}^2 \cdot \delta_2
M12=01.25+01=0 kNmM_{1-2} = 0 \cdot 1.25 + 0 \cdot 1 = 0\ \text{kNm}M21=1.51.25+51=6.875 kNmM_{2-1} = 1.5 \cdot 1.25 + 5 \cdot 1 = 6.875\ \text{kNm}M23=21.25+(1.5)(2.08333)+(2.5)1=3.125 kNmM_{2-3} = 2 \cdot 1.25 + (-1.5) \cdot (-2.08333) + (-2.5) \cdot 1 = 3.125\ \text{kNm}M32=11.25+(1.5)(2.08333)+2.51=6.875 kNmM_{3-2} = 1 \cdot 1.25 + (-1.5) \cdot (-2.08333) + 2.5 \cdot 1 = 6.875\ \text{kNm}

Rys. 7. Wykres M

11. Obliczenie sił tnących

Pręt 1-2:

Rys. 8. Siły tnące 1-2

T12=0+(6.875)2(10)=6.5625 kNT_{1-2} = \frac{0 + (-6.875)}{2} - (-10) = 6.5625\ \text{kN}T21=0+(6.875)2+(10)=(13,4375) kNT_{2-1} = \frac{0 + (-6.875)}{2} + (-10) = (-13{,}4375)\ \text{kN}

Pręt 2-3:

Rys. 9. Siły tnące 2-3

T23=(3.125)+(6.875)2(5)=0 kNT_{2-3} = \frac{(-3.125) + (-6.875)}{2} - (-5) = 0\ \text{kN}T32=(3.125)+(6.875)2+(5)=(10) kNT_{3-2} = \frac{(-3.125) + (-6.875)}{2} + (-5) = (-10)\ \text{kN}

Wykres T:

Rys. 10. Wykres T

12. Obliczenie sił normalnych

Aby węzeł był w równowadze, suma jego składowych sił i reakcji rzutowana na oś X i oś Y musi być równa zero:

Sx+Rx+Px=0\sum Sx + \sum Rx + \sum Px = 0Sy+Ry+Py=0\sum Sy + \sum Ry + \sum Py = 0

Gdzie:

  • ΣSx - suma sił prętowych rzutowana na oś X w węźle
  • ΣRx - suma reakcji podporowych rzutowana na oś X w węźle (jeżeli istnieje)
  • ΣPx - suma oddziaływania zewnętrznego rzutowana na oś X w węźle (jeżeli jest przyłożona)
  • ΣSy - suma sił prętowych rzutowana na oś Y w węźle
  • ΣRy - suma reakcji podporowych rzutowana na oś Y w węźle (jeżeli istnieje)
  • ΣPy - suma oddziaływania zewnętrznego rzutowana na oś Y w węźle (jeżeli jest przyłożona)

Obliczenia rozpoczynamy od węzła, dla którego liczba niewiadomych sił w prętach jest ≤ 2.

Elementy szukane oznaczono kolorem czerwonym. Elementy zerowe są przedstawione w tle rysunku.

Wybrano węzeł 1:

Rys. 11. Analiza węzła 1 - schemat

Do policzenia N12β=0\text{Do policzenia } N_{1-2}\quad \beta = 0

Rzutowanie na oś X

N12cos(0)=0N_{1-2}\cdot \cos(0) = 0

N12cos(0)=0N_{1-2}\cdot \cos(0) = 0

N121=0N_{1-2}\cdot 1 = 0

Rzutowanie na oś Y

N12sin(0)+(0.5)sin(90)+(0.5)sin(90)=0N_{1-2}\cdot \sin(0) + (-0.5)\cdot \sin(90) + (-0.5)\cdot \sin(-90) = 0

N120+(0.5)1+(0.5)(1)=0N_{1-2}\cdot 0 + (-0.5)\cdot 1 + (-0.5)\cdot (-1) = 0

0.5+0.5=0-0.5 + 0.5 = 0

Równanie X

N121=0N_{1-2}\cdot 1 = 0

Równanie Y

=0= 0

Wynik

Wyliczono N12=0kN\text{Wyliczono } N_{1-2} = 0 kN

Wybrano węzeł 2:

Rys. 13. Analiza węzła 2 - schemat

Do policzeniaN23,β=90\text{Do policzenia} N_{2-3}, \beta = 90

PoliczoneN21=0,β=180\text{Policzone} N_{2-1}=0, \beta = -180

Rzutowanie na oś X

N23cos(90)=0N_{2-3} \cdot \cos(90^\circ) = 0

N230=0N_{2-3} \cdot 0 = 0

Rzutowanie na oś Y

N23sin(90)+(0.5)sin(90)=0N_{2-3} \cdot \sin(90) + (-0.5)\cdot \sin(-90) = 0

N231+(0.5)(1)=0N_{2-3} \cdot 1 + (-0.5)\cdot (-1) = 0

N231+0.5=0N_{2-3} \cdot 1 + 0.5 = 0

Równanie X

=0= 0

Równanie Y

N231+0.5=0N_{2-3} \cdot 1 + 0.5 = 0

Wynik

Wyliczono N23=0.5kN\text{Wyliczono } N_{2-3} = -0.5 kN

Wykres N:

Rys. 14. Wykres N

13. Obliczenie reakcji podporowych

Aby węzeł był w równowadze, suma jego składowych sił i reakcji rzutowana na oś X i oś Y musi być równa zero:

Sx+Rx+Px=0\sum Sx + \sum Rx + \sum Px = 0Sy+Ry+Py=0\sum Sy + \sum Ry + \sum Py = 0

Gdzie:

  • ΣSx - suma sił prętowych rzutowana na oś X w węźle
  • ΣRx - suma reakcji podporowych rzutowana na oś X w węźle (jeżeli istnieje)
  • ΣPx - suma oddziaływania zewnętrznego rzutowana na oś X w węźle (jeżeli jest przyłożona)
  • ΣSy - suma sił prętowych rzutowana na oś Y w węźle
  • ΣRy - suma reakcji podporowych rzutowana na oś Y w węźle (jeżeli istnieje)
  • ΣPy - suma oddziaływania zewnętrznego rzutowana na oś Y w węźle (jeżeli jest przyłożona)

Wybrano węzeł 1:

Rys. 15. Reakcje w węźle 1 - schemat

Do policzeniaRP1,β=(90)\text{Do policzenia} R_{P_1}, \beta = (-90)

PoliczoneS21=0,β=0\text{Policzone} S_{2-1}=0, \beta = 0

Rzutowanie na oś X

RP1cos(90)=0R_{P_1} \cdot \cos(-90) = 0

RP10=0R_{P_1} \cdot 0 = 0

Rzutowanie na oś Y

RP1sin(90)+6.5625sin(90)=0R_{P_1} \cdot \sin(-90) + 6.5625 \cdot \sin(90) = 0

RP11+6.56251=0R_{P_1} \cdot -1 + 6.5625 \cdot 1= 0

Równanie X

=0= 0

Równanie Y

RP11+6.5625 kNR_{P_1} \cdot -1 + 6.5625 \text{ kN}

Wynik

Wyliczono RP1=6.5625 kN\text{Wyliczono } R_{P_1} = 6.5625 \text{ kN}

Wybrano węzeł 3:

Rys. 17. Reakcje w węźle 3 - schemat

Do policzeniaH3,β=0\text{Do policzenia} H_{3}, \beta = 0

Do policzeniaV3,β=90\text{Do policzenia} V_{3}, \beta = -90

PoliczoneS32=(13.4375),β=90\text{Policzone} S_{3-2}=(-13.4375), \beta = -90

Rzutowanie na oś X

H3cos(0)+V3cos(90)+(10)cos(0)=0H_{3} \cdot \cos(0) + V_{3} \cdot \cos(-90) + (-10) \cdot \cos(0) = 0

H31+V30+(10)1=0H_{3} \cdot 1 + V_{3} \cdot 0 + (-10) \cdot 1 = 0

H31+(10)=0H_{3} \cdot 1 + (-10) = 0

Rzutowanie na oś Y

H3sin(0)+V3sin(90)+13.4375sin(90)=0H_{3} \cdot \sin(0) + V_{3} \cdot \sin(-90) + 13.4375 \cdot \sin(90) = 0

H30+V3(1)+13.43751=0H_{3} \cdot 0 + V_{3} \cdot (-1) + 13.4375 \cdot 1 = 0

V3(1)+13.4375=0V_{3} \cdot (-1) + 13.4375= 0

Układ równań

{H31(10)=0V3(1)+13.4375=0\begin{cases} H_{3} \cdot 1 \cdot (-10) = 0 \\ V_{3} \cdot (-1) + 13.4375 = 0 \end{cases}

Wynik

Wyliczono H3=10 kN\text{Wyliczono } H_{3} = 10 \text{ kN}

Wyliczono V3=13.4375 kN\text{Wyliczono } V_{3} = 13.4375 \text{ kN}

Reakcje podporowe:

Rys. 16. Reakcje podporowe

14. Sprawdzenie reakcji podporowych - moment

Sprawdzenia poprawności wyznaczenia reakcji podporowych dokonamy w punkcie [(-1); (-1)] w układzie XY.

Punkt musi być tak dobrany, aby wszystkie siły i reakcje brały udział w obliczaniu sumy momentów.

W punkcie tym suma momentów od wszystkich sił i reakcji powinna wynosić M = 0:

M=RP1(0(1))sin(90)+V3(2(1))+H312+\sum M = R_{P_1} \cdot (0 - (-1)) \cdot \sin(-90) + V_3 \cdot (2 - (-1)) + H_3 \cdot -1 - 2 +

+M3+P0(11)cos(180)+Q0y(1(1))sin(90)++ M_3 + P_0 \cdot (-1 - 1) \cdot \cos(180) + Q_{0y} \cdot (1 - (-1)) \cdot \sin(90) +

+M0=0+ M_{0} = 0M=6.56251(1)+(13.4375)3+10(3)+6.875+10(2)(1)+\sum M = 6.5625 \cdot 1 \cdot (-1) + (-13.4375) \cdot 3 + 10 \cdot (-3) + 6.875 + 10 \cdot (-2) \cdot (-1) +

+2021+10=0+ 20 \cdot 2 \cdot 1 + 10 = 0M=6.5625(1)+(13.4375)3+10(3)+6.875+102+202+\sum M = 6.5625 \cdot (-1) + (-13.4375) \cdot 3 + 10 \cdot (-3) + 6.875 + 10 \cdot 2 + 20 \cdot 2 +

+10=0+ 10 = 0M=(6.5625)+(40.3125)+(30)+6.875+20+40+10=0\sum M = (-6.5625) + (-40.3125) + (-30) + 6.875 + 20 + 40 + 10 = 0M=0 kNm\sum M = 0\ \text{kNm}

15. Sprawdzenie reakcji podporowych - rzut X

X=10+10cos(180)=0\sum X = 10 + 10 \cdot \cos(180) = 0X=10+10(1)=0\sum X = 10 + 10 \cdot (-1) = 0X=10+(10)=0\sum X = 10 + (-10) = 0X=0 kN\sum X = 0\ \text{kN}

16. Sprawdzenie reakcji podporowych - rzut Y

Y=6.5625sin(90)+(13.4375)+20sin(90)=0\sum Y = 6.5625 \cdot \sin(-90) + (-13.4375) + 20 \cdot \sin(90) = 0Y=6.5625(1)+(13.4375)+201=0\sum Y = 6.5625 \cdot (-1) + (-13.4375) + 20 \cdot 1 = 0Y=(6.5625)+(13.4375)+20=0\sum Y = (-6.5625) + (-13.4375) + 20 = 0Y=0 kN\sum Y = 0\ \text{kN}

17. Ocena wyników obliczeń

Z uwagi na spełnione warunki:

M=0.0,X=0.0,Y=0.0\sum M = 0.0, \quad \sum X = 0.0, \quad \sum Y = 0.0

Ocena: obliczenia prawidłowe

18. Sprawdzenie kinematyczne

Sprawdzamy, czy przemieszczenia w poszczególnych punktach spełniają warunki podparcia i ciągłości. Wystarczy sprawdzić tyle składowych, ile wynosi SSN (Stopień Statycznej Niewyznaczalności).

Przekształcamy schemat naszego układu na statycznie wyznaczalny poprzez redukcję nadliczbowych więzów. W miejscach usuniętych nadliczbowych przykładamy kolejno obciążenia jednostkowe i wyznaczamy momenty zginające.

Obciążenia jednostkowe dla kątów obrotu mają charakter momentów jednostkowych. Obciążenia jednostkowe dla przemieszczeń liniowych mają charakter sił jednostkowych. Przemieszczenia wynikowe obliczamy ze wzoru Maxwella-Mohra.

Rys. 17. Wykres M

19. Obliczenie układu podstawowego dla X₁

Działa tylko X₁.

Sprawdzono poprawność obliczeń dla schematu statycznego.

Pręt 1-2: Mik = 0, Mki = 1

Pręt 2-3: Mik = (-1), Mki = 1

Rys. 18. Momenty dla X₁

20. Suma współczynników kontrolnych

Składnik M obciążenie:

[Δ1PΔ2P]\begin{bmatrix} \Delta_{1P} \\ \Delta_{2P} \end{bmatrix}

Δ1P=0.6182+1.8682+(3.125)+(0.4882)+2.3632=0.0000000011EI m\Delta_{1P} = -0.6182 + 1.8682 + (-3.125) + (-0.4882) + 2.3632 = -0.000000001\frac{1}{EI} \text{ m}

=0 m=0 \text{ m}

Suma współczynników pomiarowych: [0]

Obliczenia dokonane w programie Metor.

Ostatnia aktualizacja: