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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Concepts de base
1
 l'analyse des structures
L'objectif de l'analyse des structures est de déterminer les deux champs inconnus
: champ de déplacements et de contraintes pour une structure quelconque.
On appelle structure, tout système mécanique en équilibre sous l'action de forces
de surface ou de volume (en régime élastique).
Structure
Déformations
Mécanisme

Contraintes (création d'énergie de déformation)
La théorie de l'élasticité permet d'exprimer les relations qu'il existe entre les
différents champs inconnus.
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Concepts de base
2
 Classification des systèmes physiques
Un système physique est caractérisé par un ensemble de variables qui peuvent
dépendre des coordonnées d'espace et du temps.
Certaines variables (d) sont connues, d'autres variables (u) sont inconnues
 propriétés physiques
 dimensions du système
 sollicitations
 conditions aux limites
…
? déplacements
? vitesses
? températures
? contraintes
?…
Un modèle mathématique du système permet d'écrire des relations entre u et d
en utilisant des lois physiques. Ces relations constituent un système d'équations
en u qu'il s'agit de résoudre.
Le nombre de degrés de liberté (d.d.l) du système est le nombre de variables
nécessaires pour définir u à un instant t donné.
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Concepts de base
3
Le système est dit :
 discret
si il possède un nombre fini de degrés de liberté,
 continu
si il possède un nombre infini de degrés de liberté.
L'analyse d'une structure (qu'il s'agisse d'un système discret ou continu) peut-être
menée de la façon suivante :
1- Idéalisation du système pour le rendre analysable (discrétisation)
2- Formulation des équations constitutives (équations d'équilibre)
3- Résolution des équations
4- Interprétation des résultats
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Concepts de base
4
Pour certains problèmes, la première étape (idéalisation) est (presque) évidente.
Structure réelle
Théâtre national de Mannheim, 1953
Centre Georges Pompidou à Paris, 1977
Structure discrétisée
Hangar construit à partir
d’éléments préfabriqués en
béton armé pour l’aviation
italienne, 1940
Le comportement du système discret est représenté
par un système d'équations algébriques.
 Résolution exacte (au sens de la discrétisation)
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Concepts de base
5
Pour d'autres structures, l'idéalisation n'est pas aussi immédiate (assemblage de
plaques ou de coques. On est alors amené à exploiter des techniques
d'approximation appropriées.
Dans le cas de la M.E.F, le modèle est basé sur une subdivision du domaine continu
en sous domaines de formes géométriques simples appelés éléments. Les
éléments sont interconnectés entre eux par des points appelés nœuds.
Structure réelle
Transformation des équations
pour obtenir un système
d'équations algébriques
 solution approchée
Structure discrétisée
élément
nœud
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Concepts de base
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 Démarche d'analyse d'un système discret (méth. matricielle des déplacements)
étape 1
Idéalisation
étape 2
Ecriture des équations
d'équilibre pour chaque
élément en fonction des
déplacements
Calcul élémentaire
Calcul global
étape 3
Assemblage des
caractéristiques
élémentaires
étape 4
Calcul de la solution
Cette étape est menée en utilisant
des conditions de continuité des
déplacements et d'équilibre des
forces aux nœuds des éléments
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Exemple 1
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Analyse statique d'un système constitué de 3 chariots rigides
P1
P2
P3
k4
k3
k5
k1
1
k2
2
3
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Etape 1 : idéalisation
P1 u1
P2 u2
P3 u3
k4
1
k3
3
2
k5
k1
k2
Bilan :
 3 nœuds
 3 ddl : 1 ddl/nœud (u1,u2,u3)
 5 éléments
Système de 3
équations à 3
inconnues
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Etape 2 : Ecriture des équations d'équilibre pour chaque élément
 Elément n°1
Ui(j), Fi(j)
1
F1(1)
u1(1)
n° élément
n° nœud
k1u1(1)=F1(1)
k1
 Elément n°2
F1(2) u1(2)
F2(2) u2(2)
1
2
k2
/ u1
k2u1(2) - k2u2(2) = F1(2)
/ u2
k2u2(2) - k2u1(2) = F2(2)
ou sous forme matricielle :
 1  1 u1( 2 )   F1( 2 ) 
 ( 2 )    ( 2 ) 
k 2 
  1 1 u 2   F2 
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 Elément n°3
F1(3) u1(3)
F2(3) u2(3)
1
2
k3
 1  1 u1(3)   F1(3) 
 (3)    (3) 
k3 
  1 1 u2   F2 
 Elément n°4
F1(4) u1(4)
F3(4) u3(4)
1
3
k4
 1  1 u1( 4 )   F1( 4 ) 
 ( 4 )    ( 4 ) 
k 4 
  1 1 u3   F3 
 Elément n°5
F2(5) u2(5)
F3(5) u3(5)
2
3
k5
 1  1 u2(5)   F2(5) 
 (5)    (5) 
k5 
  1 1 u3   F3 
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Etape 3 : Assemblage des caractéristiques élémentaires
P 1 u1
P 2 u2
P 3 u3
k4
k3
1
3
2
k5
k1
k2
F1(1) F1(2)
F1(3) F1(4)
1.Equilibre des forces aux nœuds
(équilibre statique de l'ensemble)
F2(2) F2(3)
F2(5)
 F1(1) + F1( 2) + F1(3) + F1( 4 )
 ( 2)
( 3)
(5)
 F2 + F2 + F2
 F ( 4 ) + F ( 5)
3
 3
F3(4) F3(5)

P1

P2

P3
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 F1(1) + F1( 2 ) + F1( 3) + F1( 4 )
 ( 2)
( 3)
( 5)
 F2 + F2 + F2
 F ( 4) + F (5)
3
 3

P1

P2

P3
En substituant les équations
d'équilibre élémentaires
k1u1(1) + k 2u1( 2 )  k 2u 2( 2 ) + k3u1(3)  k 3u 2( 3) + k 4u1( 4)  k 4u3( 4 )

( 2)
( 2)
( 3)
( 3)
(5)
( 5)
 k 2u1 + k 2u 2  k3u1 + k3u 2 + k5u 2  k 5u3
 k u ( 4 ) + k u ( 4 )  k u ( 5 ) + k u ( 5 )
4 3
5 2
5 3
 4 1
2.Continuité des déplacements :
12

P1

P2

P3
u1(1)  u1( 2 )  u1(3)  u1( 4 )
 ( 2)
( 3)
( 5)
u 2  u 2  u 2
u ( 4)  u ( 5)
3
 3
 u1
 u2
 u3
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k1u1(1) + k 2u1( 2 )  k 2u 2( 2 ) + k3u1(3)  k 3u 2( 3) + k 4u1( 4)  k 4u3( 4 )

( 2)
( 2)
( 3)
( 3)
(5)
( 5)
 k 2u1 + k 2u 2  k3u1 + k3u 2 + k5u 2  k5u3
 k u ( 4 ) + k u ( 4 )  k u ( 5 ) + k u ( 5 )
4 3
5 2
5 3
 4 1
(k1 + k 2 + k 3 + k 4 )u1  (k 2 + k 3 )u 2  k 4u3

 (k 2 + k3 )u1 + (k 2 + k 3 + k 5 )u 2  k 5u3
 k u  k u + (k + k )u
 4 1 5 2
4
5
3
 k1 + k 2 + k 3 + k 4

 k 2  k3


 k4

 k 2  k3
k 2 + k3 + k5
 k5
13

P1

P2

P3

P1

P2

P3
 k 4  u1   P1 
   
 k 5  u 2    P2 
k 4 + k 5  u3   P3 
On obtient donc le système d'équations recherché
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Autre solution : écriture des matrices élémentaires avec l'ensemble des ddl.
 k1

0
0

 k3  k3 0  u1


k3 0  u 2
  k3
 0
0 0  u3

0 0  u1

0 0  u2
0 0  u3
élément 1
0
0  u1
0


k5  k5  u 2
0
0  k
k5  u3
5

élément 3
élément 2
élément 5
élément 4
 k 4 0  k 4  u1


0  u2
 0 0
 k 0
u
k
4 3
 4
 k 2  k 2 0  u1


k2 0  u2
  k2
 0
0 0  u3


 k1 + k 2 + k3 + k 4

 k 2  k3


 k4

 k 2  k3
k 2 + k3 + k5
 k5
 k4 

 k5 
k 4 + k5 
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Dans ce cas, on obtient la matrice de rigidité globale à partir de l'expression :
5
(e)

KG  K
e 1
matrice de rigidité élémentaire
tenant compte de la connectivité
Cette expression est valable quel que soit le problème et le nombre d'éléments
(à condition de travailler avec des ddl compatibles au niveau des matrices de
rigidité élémentaires)
Etape 4 : Résolution du problème
Les rigidités et les forces externes étant connues, il suffit de résoudre le
système linéaire obtenu.
Remarque : lorsque les déplacements sont connus, on peut éventuellement
calculer les efforts internes à partir des équations d'équilibre élémentaires.
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Analyse d'un élément de tuyauterie
p
L
2L
0.5L
La tuyauterie doit être capable de résister à une charge importante P lorsque
celle-ci est appliquée accidentellement.
Analysez le problème
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Etude simplifiée : on s'intéresse au calcul du déplacement transverse au point
d'application de la force. Cette force est supposée quasi-statique.
 modélisation par des éléments de type poutre / barre / ressort.
 analyse statique.
Etape 1 : idéalisation
e1 : E I
e2 : 8E I
e3 : kt
0.5L
L
2L
e4 : E S
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Matrices élémentaires
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Matrice de rigidité élémentaire d'une barre en traction - compression dans le plan
y
ui
uj
E, S
x
L
ES  1  1


K
L   1 1
 ui 
U   
u j 
E:module d'Young (N/m2) – S:section (m2) – L:longueur(m)
Matrice de rigidité élémentaire d'une poutre en flexion dans le plan (type
Bernoulli : pas de cisaillement transverse)
y
i
vi
E, I
L
j
vj
6 L  12
6L 
 12


2
2
EI  6 L 4 L  6 L 2 L 
K 3
12  6 L 
L  12  6 L
x


 6 L 2 L2  6 L 4 L2 


 vi 
 
 i 
U  
v
 j
 
 j
E:module d'Young (N/m2) – I:inertie de flexion (m4) – L:longueur(m)
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Le modèle devient :
u1
u2
1
u3
u4
2
u6
3
u5
u7
4
Bilan :
4 éléments : 2 poutres, 1 ressort de torsion, 1 barre
4 nœuds
7 ddl
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Exemple 2
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Etape 2 : Ecriture des matrices de rigidité élémentaires pour chaque élément
Elément 1 : poutre – (EI,L)
K (1)
6 L  12
6L 
 12


2
2
EI  6 L 4 L  6 L 2 L 
 3
12  6 L 
L  12  6 L


 6 L 2 L2  6 L 4 L2 


U (1)
 u1 
 
 u2 
 
u
 3
u 
 4
U ( 2)
 u3 
 
 u4 
 
u
 5
u 
 6
Elément 2 : poutre – (8EI,2L)
K ( 2)
 12 12L 
 12 12L


2
2
8L 
EI  12L 16L  12L
 3
12  12L 
L  12  12L


2
2
 12L
8L  12L 16L 

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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Exemple 2
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Etape 2 : Ecriture des matrices de rigidité élémentaires pour chaque élément (suite)
Elément 3 : ressort de torsion – (kt)
K(3)  kt
U (3)  u6
Elément 4 : barre – (E,S,0.5L)
K ( 4)
ES  2  2 



2
L  2
U ( 4)
 u5 
  
 u7 
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Exemple 2
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Etape 3 : Assemblage des matrices élémentaires
4
KG   K(e)
e 1
6 EI  12EI
6 EI
 12EI

0
0
0


3
2
3
2
L
L
L
L


6
EI
4
EI

6
EI
2
EI

0
0
0
2
2


L
L
L
L
  12EI  6 EI

24EI
6 EI
 12EI
12EI
0


3
2
2
2
3
2
L
L
L
L
L
L


6
EI
2
EI
6
EI
20
EI

12
EI
8
EI
KG  
0
2
2
2


L
L
L
L
L
L
 12EI  12EI 12EI 2 ES
 12EI
2 ES 

0
0
+


L3
L2
L3
L
L2
L 


12EI
8 EI
 12EI 16EI

0
0
+ kt
0
2
2
L
L
L
L


2 ES
2 ES 

0
0
0
0

0


L
L 

UGT  (u1 u2 u3 u4 u5 u6 u7 )
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Exemple 2
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Etape 4 : Résolution du problème
La solution est obtenue en résolvant le système d'équations linéaires :
K GU G  PG
u1
u2
1
avec
U GT  (u1 u 2
u3
u4
u3
u4
2
u5
u6
PGT  (0 0  P 0 0 0 0 )
u6
3
u7 )
u5
u7
4
après avoir appliqué les conditions aux limites (conditions de déplacements
imposés) :
u1  u 2  u7  0
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Propriétés matrice K
24
 On appelle matrice de rigidité d'une structure, la matrice K permettant
d'exprimer l'énergie de déformation sous une forme quadratique des
déplacements.
1
Edef  U T KU
2
 Les valeurs propres de la matrice de rigidité sont obtenues en résolvant le
problème :
i : ième valeur propre




K i
i i
i : ième vecteur propre
On peut écrire :
 Ti K i
i  T
i i
i  Ti Ki  2Edef
si i est tel que : Ti  i  1
Les valeurs propres d'une matrice de rigidité représentent
à un coefficient près l'énergie de déformation mise en
jeu par les modes de déformation propres de la
structure.
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Propriétés matrice K
25
 Cas des structures libres (ou avec mécanisme)
Dans ce cas, il existe un certain nombre (3 pour les problèmes 2D, 6 pour les
problèmes 3D) de valeurs propres nulles. Elles correspondent à des modes de
déplacement d'ensemble pour lesquels l'énergie de déformation est nulle.
On les appelle des modes de corps rigide ou modes rigides.
La matrice de rigidité d'une structure libre est donc semi définie positive
Exemple : barre en traction - compression
mode de corps rigide
 0
1
   
1
 ES


det L
  ES
L

 ES 

L 0
ES
  
L

mode de compression pure
2 ES

L
 1
   
 - 1
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Conditions sur U
26
Prise en compte des conditions de déplacements imposés, 3 possibilités :
Méthode de pénalisation
application d'un "poids" numérique sur les
coefficients de la matrice de rigidité
Multiplicateurs de Lagrange
Le système d'équation
(KU=P) est complété
par des équations de
contrainte
Méthode de la partition
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Méthode de partition
27
Principe :
 Le système d'équations d'équilibre est constitué sans tenir compte des
conditions de déplacements imposés. On obtient un système de la forme :
K GU G  FG
 Le vecteur des déplacements est décomposé (partition) suivant :
U a 

U G  
U b 
: déplacements libres (inconnus)
: déplacements imposés (connus)
 On applique cette partition sur le vecteur chargement et la matrice de rigidité
 Fa 
FG   
 Fb 
 K aa

K G 
 K ba
: forces correspondant aux déplacements libres (connues)
: forces correspondant aux déplacements imposés (inconnues)
réactions
K ab 

K bb 
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Méthode de partition
28
En développant les équations d'équilibre, on obtient :
 K aa

 K ba
 K aaU a + K abU b  Fa
K ab U a   Fa 
   
  
K bb  U b   Fb  R 
 K baU a + K bbU b  R
 Le premier système d'équations permet d'obtenir les déplacements libres (Ua) :
K aaU a  Fa  K abU b
ou

U a  K aa1 (Fa  K abU b )
 Les déplacements libres étant connus, on obtient les réactions avec le second
système d'équations :
R  K baU a + K bbU b
 Cas particulier : TOUS les déplacements imposés sont nuls (Ub=0)

K aaU a  Fa ou U a  K aa1 Fa
R  K baU a
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application partition
29
L
Illustration sur une structure de
type "poutre en flexion"
P
E,I
Le système d'équations
d'équilibre est constitué sans
tenir compte des conditions de
déplacements imposés.
On utilise le modèle :
v1
1
1
1
v2
2
2
Bilan :
1 élément "poutre en flexion"
2 nœuds avec 2 ddl/nœud
4 ddl
 v1 
 
 1 
UG   
 v2 
 
 2
 F1 


 M1 
FG  

F
2




M
 2
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application partition 1
30
Assemblage de la matrice de rigidité globale : 1 élément  immédiat
12 6L -12 6L
EI

KG
L3
6L 4L2 -6L 2L2
-12 -6L 12 -6L
6L 2L2 -6L 4L2
v1
1
v2
2
Partition entre déplacements
libres (Ua) et déplacements
imposés (Ub).
v1
 v2 

U a  
 2 
v2
1
Partition du vecteur second
membre en efforts appliqués et
réactions.
 v1   0 

U b     
 1   0 
P
2
 F2   -P
   
Fa  
M2   0 
 F1 
Fb  R   
 M1 
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application partition 1
Partition de la matrice de rigidité globale
KG 
Kaa
Kab
Kba
Kbb
v1 1 v 2 2
12 6L -12 6L
KG 
EI
L3
6L 4L2 -6L 2L2
-12 -6L 12 -6L
6L 2L2 -6L 4L2
v1
1
v2
2
KG 
EI
L3
31
v 2 2
v1 1
12 -6L
-12 -6L
-6L 4L2
6L 2L2
v2
2
-12 6L
12 6L
v1
-6L 2L2
6L 4L2
1
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application partition 1
32
Calcul des déplacements libres (ici tous les déplacements imposés sont nuls)
K aaU a  Fa
EI
L3
12 -6L
-6L 4L2
 4 L2
v 2   -P
 v2  L3
1
        

 
2
 2  EI 12 L  6 L
2   0 
6 L  -P
 0 
12  
 -PL3


 v2   3EI 
   
2
  2   -PL 
 2 EI 
Calcul des réactions.
R  K baU a
 F1 
EI
R     3
L
 M1 
-12 6L
-6L 2L2
 -PL3 
L


 
 3EI    F1    P    12 6 L  3    F1    P 

 
   
2 1
 -PL2 
M1 
6
L
2
L


L



 M 1   PL 


 
 2 EI 
2
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application partition 1
33
Vérification des résultats
Efforts
Moments
P+P 0
action
 PL + PL  0
réaction
action
réaction
Visualisation des résultats
Effort tranchant
Déplacements
-P
P
P
 PL3
3EI
 v1   0 
    
 1   0 
Moment fléchissant
 PL2
PL
0
2EI
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application partition 2
L
Structure de type "poutre en
flexion"
Le système d'équations
d'équilibre est constitué sans
tenir compte des conditions de
déplacements imposés.
On utilise le modèle :
2 éléments "poutre en flexion"
3 nœuds avec 2 ddl/nœud
6 ddl
L
E,I
v1
1
1
Bilan :
34
M
v2
1
 v1 
 
 1 
v 
2
UG   
 2 
 
 v3 
 
 3
2
2
v3
2
3
3
 F1 


 M1 
F 
2 
FG  
M2 


 F3 
M 
 3
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application partition 2
35
Assemblage de la matrice de rigidité globale :
v1
1
1
v2
1
2
12 6L -12 6L
EI
K (1)  3
L
2
6L 4L2 -6L 2L2
-12 -6L 12 -6L
6L 2L2 -6L 4L2
v3
2
3
3
v1
1
v2
2
EI

KG
L3
12 6L -12 6L
EI
K (2)  3
L
6L 4L2 -6L 2L2
-12 -6L 12 -6L
6L 2L2 -6L 4L2
12 6L -12 6L
0
0
6L 4L2 -6L 2L2
0
0
-12 -6L 24
6L 2L2
0
0
-12 6L
8L2 -6L 2L2
0
0
-12 -6L 12 -6L
0
0
6L 2L2 -6L 4L2
v1
1
v2
2
v3
3
v2
2
v3
3
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application partition 2
v1
Partition entre déplacements
libres (Ua) et déplacements
imposés (Ub).
 v1 
 
 1 
v 
2
UG   
 2 
 
 v3 
 
 3
v2
v3
1
2
 2 

U a  
3 
 v1   0 
   
 1   0 

Ub     
 v2   0 
v   
 3  0
M2   0 
   

Fa 
 M3  M 
 F1 
 
 M1 


Fb R  
 F2 
F 
 3
Partition du vecteur second
membre en efforts appliqués et
réactions.
 F1 


 M1 
F 
2 
FG  
M2 


 F3 
M 
 3
36
3
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application partition 2
Et finalement, partition de la
matrice de rigidité globale.
KG 
Kaa
Kab
Kba
Kbb
v1 1 v 2 2 v3 3
EI
KG  3
L
12 6L -12 6L 0
0
6L 4L2 -6L 2L2 0
0
-12 -6L 24 0
6L 2L2 0
-12 6L
8L2 -6L 2L2
0
0
-12 -6L 12 -6L
0
0
6L 2L2 -6L 4L2
v1
1
v2
2
v3
3
KG 
EI
L3
37
 2 3
v1 1 v 2 v3
8L2 2L2
6L 2L2 0
2L2 4L2
0
6L 0
12 6L -12 0
v1
2L2 0
6L 4L2 -6L 0
1
0
-12 -6L 24 -12
v2
v3
6L
-6L -6L
0
0
0
-6L
2
6L -6L
3
-12 12
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application partition 2
38
Calcul des déplacements libres (tous les déplacements imposés sont nuls).
K aaU a  Fa
EI
L3
8L2 2L2
2L2 4L2
 2   0 
2EI
     
L
3   M 
4
1
1
2
 2   0 
     
3   M 
 2  ML
  
  3  14 EI
  1
 
 4
Calcul des réactions.
R  K baU a
 F1 
 
 M 1  EI
R  3
 F2  L
F 
 3
6L
0
2L2
0
0
6L
-6L -6L
ML

14EI
  1
  
 4
 F1 
  3
 


 M1  M   L 
F 
 12 
7
L
 2


 
F 
 9
 3
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application partition 2
 F1 
  3
 


 M1  M   L 
F 
 12 
7
L
 2


 
F 
 9
 3
Vérification des résultats
-M
7
39
F2
M
F1
F3
On peut vérifier, pour les forces et les moments que :
Réactions
Action
F1 + F2 + F3 + 0  0
Réactions
M 1 + F2 L + 2 F3 L + M 
Visualisation des résultats (déplacements)
 2  ML
  
  3  14 EI
  1
 
 4
Action
M
7
+
12 M 18M

+M 0
7
7
-ML
2ML
14EI
7EI
M
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application partition 2
40
Visualisation des résultats (diagrammes)
 Effort Tranchant
 F1 
  3
 


 M1  M   L 
F 
 12 
7
L
 2


 
F 
 9
 3
9M
7L
-3M
7L
F3
F2
F1
F2
 Moment Fléchissant
-M
7
F1
2M
7
M
F3
-M
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Transformation des matrices
41
L'objectif est d'établir la matrice de rigidité élémentaire d'un élément lorsque
son orientation est différente de celle définie dans le repère de référence. La
démarche est illustrée sur un élément de type barre.
Dans le repère local R1, la matrice de rigidité de l'élément est donnée par :
ui*
uj*
x*
K R1 
ES  1  1


1
L  1
 ui 
 

U
u 
 j
*
On souhaite formuler la matrice de rigidité de cet élément dans le cas où
la barre à une orientation quelconque dans le plan (repère global R2)
y
uj*
x*
vj
uj
ui*
vi
K R2  ?

ui
x
 ui 
 
 vi 

U u 
j
 
v 
 j
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Transformation des matrices
y
uj*
x*
vi
uj
ou encore sous forme matricielle :

ui
On peut écrire les relations entre les
déplacements dans les 2 systèmes d'axes par :
 ui*  ui cos  + vi sin 
 *
u j  u j cos  + v j sin 
vj
ui*
42
x
 ui*   cos 
 
 u*   0
 j 
U*
sin 
0
0
cos 
=
T
 ui 
 
0  vi 
 
sin   u j 
v 
 j
U
Dans le repère local, l'énergie de déformation est donnée par :
1
E p  U *t K R1U *
2
Dans le repère global, l'énergie (identique) est donnée par :
1
E p  U t K R2U
2
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Transformation des matrices
U *t  U tT t
En substituant l'expression de U*
en fonction de U dans
43
U *  TU
1
E p  U *t K R1U *
2
1
E p  U tT t K R1TU
2
Expression que l'on compare à
On en déduit
1
E p  U t K R2U
2
K R2  T t K R1T
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Transformation des matrices
44
Pour l'élément barre, on obtient :
y
vj
vi
ui
ES  1  1


K R1 
1
L  1
uj
 cos 
T  
 0

x
 cos 2 

ES  cos  sin 

K

L   cos 2 

 cos  sin 
cos  sin 
 cos 2 
sin 2 
 cos  sin 
 cos  sin 
cos 2 
 sin 2 
cos  sin 
sin 
0
0
cos 
 cos  sin  

2
 sin  

cos  sin  

sin 2  
0 

sin  
 ui 
 
 vi 

U u 
j
 
v 
 j
ou encore :
ES  A  A 


K
A
L  A
avec
 cos 2 
A  
 cos  sin 
cos  sin  

sin 2  
Attention : pas de ddl de rotation donc liaison pivot aux nœuds implicite
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application synthèse
45
On considère le treillis plan représenté ci-dessous. Il est modélisé par des éléments
de type "barre". Les caractéristiques matérielles sont identiques pour toutes les
barres (E, S). Les nœuds 1 et 2 sont encastrés.
Y
2
3
barre 3
45°
barre 4
barre 2
X
1
1.
2.
3.
4.
5.
barre 1
Noeuds
X
Y
1
0
0
2
0
L
3
3
L
L
3
4
L
0
4
Établir la matrice de rigidité utile pour le calcul des déplacements sans
tenir compte de la barre n°4
Calculer le déterminant de cette matrice, conclusions.
Calculer et représenter la déformée de la structure complète (barre 4 prise
en compte).
Calculer et représenter les réactions aux encastrements.
Calculer les contraintes dans chaque élément.
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application synthèse
46
 Calcul des matrices de rigidité élémentaires
 Élément 1 :   0, E, S, L
K (1)
 1

ES  0

L  1

 0

 Élément 2 :   90, E, S, L
0 1 0 
 u1 
 

0 0 0  (1)  v1 
U  

u
0
1 0
 4

v 
0 0 0 
 4
K ( 2)
0

ES  0

L 0

0 

3
2
4
K ( 3)
 1

ES  0

L  1

 0

0 1 0
 u2 
 

0 0 0
 v2 
( 3)
U

u 
0
1 0
 3


v 
0 0 0
 3
0
 u3 
 

3 0  3  ( 2 )  v3 
U  

u
0 0
0
 4

v 
3 0
3 
 4
0 0
3
2
1
 Élément 3 :   0, E, S, L
3
1
4
 Élément 4 :   30, E, S, 2L
K ( 4)
3
 3 3
 u1 
3 3 3
 3


 
ES 
3
3
 3  3  ( 4)  v1 

 U  u 
8L   3 3
3
3 3
3
 3
v 
 3  3
3
3 
 3

T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application synthèse
47
Matrice de rigidité utile pour le calcul des déplacements (SANS barre n°4)

2
3
3
2
1
1
1

ES  0
K aa 
L 0

0 

4
0
3
0
3
1
ES 

det K aa 
3

L  0
 u1   0 
 u3 
   
 
 v1   0 
 v3 
ddl
libres
:
U


U

ddl imposés : b    
a
u 
u2
0
   
 4
 v  0
v 
 2  
 4
0
0

0  3
1
0

0
3 
La structure n'est pas statiquement
stable (présence de pivots
implicites aux nœuds). La
représentation devrait être :
0 1
0
 3
3
 3 0 
0
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application synthèse
48
Matrice de rigidité utile pour le calcul des déplacements (AVEC barre n°4)

45°
3
2
4
1
2
1
K aa
 3 3
1 +
8

ES 
3


L 
8
0


0





Fa  P




3
4
 u1   0 
   
 v1   0 
U

ddl imposés : b     
u
0
 2   
 v2   0 

3
0
0
 1.65 0.38
8


 ES  0.38 1.95
3
3+
0  3 
 0
0
L
8


0 1
0
 0  1.73


 3 0
3
 u3 
 
v 
ddl libres : U a   3 
u
 4 
 v4 
0
0

0  1.73
1
0

0
1.73

  0.707
2



  0.707
2 

P
2
 0 

0



 0 


0 
2
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application synthèse

49
La résolution du système linéaire donne les déplacements recherchés
K aaU a  Fa
 1.65 0.38

ES  0.38 1.95
0
L  0

 0  1.73

u4  0
v  v
3
 4
PL

u3  0.52 ES
v  8.04u
3
 3
0  u3 
  0.707
 


0  1.73 v3 
  0.707

P
 0 
1
0  u 4 
 







0
1.73 v4 
 0 
0
 u3 
 0.52 
 


 v3  PL   4.16 
u  


0
ES
4
 




v 
 4.16 
 3
T.Tison 2004
M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application synthèse

50
Calcul des réactions aux encastrements
R  K baU a
nœuds 1- 4
nœuds 1- 3
K ( 4)
 3 3
3 3 3
 3


ES 
3
3
3  3


8L   3 3
3
3 3
3
 3  3
3
3 

u3
v3
K (1)

0


0

0
0 
0 1 0 

0 0 0
0
1 0

0 0 0 
nœuds 2- 3
u 4 v4
 3 3
3

1
8
 8
ES   3  3
K ba 
0

L 
8
8
1
0 0


0
0 0

 1

ES  0

L  1

 0

u1
v1
u2
v2
K ( 3)
 1

ES  0

L  1

 0

0 1 0

0 0 0
0
1 0

0 0 0 
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
La résolution R=KbaUa donne :
 R1x 
  0.65  0.38  1



 R1 y  ES   0.38  0.22 0
R

R2 x  L 
1
0 0




R 
0
0 0
2
y




51
0
 0.52
 1.22





0  PL   4.16
 0.71

 P



0 ES
0
 0.52










0

4
.
16
0




Vérification
S forces suivant x
1.22P  0.52P 
2
P0
2
(aux erreurs d'arrondi près)
S forces suivant y
0.71P 
2
P0
2
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application synthèse

52
Calcul des contraintes
1  U i U j
+
D'après la théorie de l'élasticité, on sait que   D et  ij 

2  x j
xi
Dans le cas de la barre, on a : D=E et
 xx 
U ( x )
x



i 13; j 13
La déformation locale étant identique sur toute la longueur de la barre, on
peut l'assimiler à la déformation moyenne soit :
Dans le repère local :  xx 
u *j  ui*
L
 ui* 
1
où sous forme matricielle :  xx  ( 1 1) * 
L
u j 
Dans le repère global :
 ui*   cos
 *
u   0
 j 
sin 
0
0
cos
 ui 
 
0  vi 
 
sin   u j
 
v 
 j
 xx 
1
( cos 
L
 sin 
cos 
 ui 
 
 vi 
)

sin  
u j 
v 
 j
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

 Élément 1 :   0, E , S , L,  u1  0
v1  0 u4  0 v4 
0



0
P
( 1 0 1 0)
 (1) 
0

0
ES


  4.16


 Élément 2 :   90, E , S , L
53
 4.16PL 

ES 
 (1)  0
0.52PL
 4.16PL
 4.16PL 

,  u3 
v3 
u4  0 v4 

3 
ES
ES
ES 
 0.52


P
  4.16
(2 )
(0 1 0  1)
 
0

0
ES


  4.16


 (2 )  0
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application synthèse


 Élément 3 :   0, E , S , L,  u2  0
v2  0 u3 
0.52PL
 4.16PL 
v3 

ES
ES 
0



0
P
 0.52P
( 1 0 1 0)
 (3 ) 


0.52
ES
ES


  4.16


 Élément 4 :   30, E, S , 2 L
 (4 ) 
P  3

ES  2
1
2
54
 (3) 
0.52 P
S
0.52PL
 4.16PL 

,  u1  0 v1  0 u3 
v3 

3 
ES
ES 
3
2
0




0
1 
  1.63P





2  0.52
ES


  4.16


 (4 ) 
 1.63 P
S
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M.E.F : Méthode matricielle des déplacements – Application synthèse
55
 Visualisation des résultats : déformée et réactions
 u3 
 0.52 
 


 v3  PL   4.16 
u  


0
ES
 4




 
 4.16 
 v4 
 R1x 
 1.22 




 R1 y 
 0.71

 R  P 

0
.
52
 2x 




R 
0


2
y


0.52
-0.52
0.71
2
3
1
4
1.22
-4.16
-4.16
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56
 Visualisation des résultats : contraintes
1 

0
 


0
 2  P 

 
 0.52 
S
 3




 
 1.63 
 4
3
4
2
1
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