Transcript q 1
6. STABILNOST KONSTRUKCIJA III čas v. prof. Dr Mira Petronijević Prof. Stanko Brčić 3. Stabilnost konstrukcija 1 6.3 Matrica krutosti na savijanje štapa po linearizovanoj teoriji II reda Diferencijalna jednačina pravog štapa konstantnog preseka, opterećenog silama S na krajevima, po linearizovanoj teoriji II reda je: IV 2 II v k v 0 gde je k |S | EI (znak + se odnosi na pritisnut štap, a znak – na zategnut štap) 3. Stabilnost konstrukcija 2 6.3.1 Matrica krutosti pritisnutog štapa tipa k Rešenje diferencijalne jednačine (S<0) v ( x ) 1 2 kx 3 sin kx 4 cos kx i su integracione konstante. 3. Stabilnost konstrukcija 3 Matrica krutosti pritisnutog štapa tipa k Rešenje diferencijalne jednačine može da se prikaže u matričnom obliku kao: v ( x ) 1 kx sin kx 1 2 cos kx A 3 4 3. Stabilnost konstrukcija 4 Matrica krutosti pritisnutog štapa tipa k Integracione konstante i se mogu odrediti iz konturnih uslova, tj. iz generalisanih pomeranja krajeva štapa qi , i=1,2,3,4 3. Stabilnost konstrukcija 5 Matrica krutosti pritisnutog štapa tipa k Generalisana pomeranja i sile na krajevima štapa tipa k su: qi , i=1,2,3,4 y q2 , R2 q4 , R4 q1, R1 x q3, R3 l 3. Stabilnost konstrukcija 6 Promena koordinatnog sistema – znak pomeranja i sila se menja, diferencijalna jednačina štapa ostaje je ista y +v x i i k vi vi vk + k x vk y Mi Vi Mk Vk Mi Vi Mk Vk Pozitivan znak pomeranja i sila posle promene koordinatnog sistema 3. Stabilnost konstrukcija 7 Konturni (granični) uslovi po pomeranjima y y i vi k vk q2 x q1 q4 x q3 Konturni uslovi po pomeranjima: x=0 v(x) = q1 , (x) = q2 x=l v(l) = q3 , (x) = q4 q1 v (0 ) q (0 ) 2 q q3 v (l ) q 4 ( l ) 3. Stabilnost konstrukcija 8 Konturni uslovi po silama y y Mi Vi Mk x R1 Vk Konturni uslovi po silama: x=0 V(x) = -R1 , M(x) = R2 x=l V(l) = R3 , R2 M(x) = -R4 R4 x R3 R1 V (0 ) R 2 M (0 ) R R V ( l ) 3 R 4 M ( l ) 3. Stabilnost konstrukcija 9 v ( x ) 1 2 kx 3 sin kx 4 cos kx ( x ) v ( x ) 2 k 3 k cos kx 4 k sin kx Koristimo granične uslove po pomeranjima: x 0: q1 v (0) 1 4 q 2 (0) 2 k 3 k xl: q 3 v ( l ) 1 2 3 sin 4 cos q 4 ( l ) 2 k 3 k cos 4 k sin gde je kl 3. Stabilnost konstrukcija 10 odnosno, u matričnom obliku: q1 1 q2 0 q3 1 q 4 0 0 0 k k sin k k co s 1 0 2 co s 3 k sin 4 1 ili u skraćenom obliku: q C 3. Stabilnost konstrukcija 11 Rešavanjem se dobija: C 1 q gde je C-1 inverzna matrica matrice C: C 1 C ij ( i , j 1, 2, 3, 4 ) 3. Stabilnost konstrukcija 12 Matrica C-1 1 cos sin sin 1 1 C sin 1 cos u kojoj je cos sin 1 cos (sin ) l l (1 cos ) sin (1 cos ) l l (1 cos sin ) sin (1 cos ) l l (sin cos ) (1 cos ) ( sin ) l l 2 (1 cos ) sin 3. Stabilnost konstrukcija 13 Vektor pomeranja je: v( x) A 1 A C q N q gde je N=AC-1 matrica interpolacionih funkcija U razvijenom obliku: v( x) N1( x) N 2 ( x) N 3 ( x) q1 q2 N 4 ( x) q3 q 4 3. Stabilnost konstrukcija 14 Ni(x) su interpolacione funkcije: N1( x) 1 [1 cos sin kx sin sin sin kx (1 cos ) cos kx ] N 2 ( x) 1 k [ cos sin kx (1 cos ) (1 cos sin ) sin kx (sin cos ) cos kx ] N 3 (x) 1 [1 cos kx sin sin sin kx (1 cos ) cos kx ] N 4 ( x) 1 k [sin kx (1 cos ) (1 cos ) sin kx ( sin ) cos kx ] 3. Stabilnost konstrukcija 15 Interpolaciona funkcija Ni(x) predstavljaju elastičnu liniju obostrano uklještenog štapa, opterećenog aksijalnom silom pritiska, usled generalisanog pomeranja qi = 1, pri čemu su sva ostala generalisana pomeranja jednaka nuli. 3. Stabilnost konstrukcija 16 Interpolacione funkcije 3. Stabilnost konstrukcija 17 Matrica krutosti štapa tipa k Matrica krutosti štapa po linearizovanoj teoriji II reda K daje vezu između vektora generalisanih sila R i vektora generalisanih pomeranja q štapa: R K q Matrica K je kvadratna, simetrična, 4-og reda: K K ij K ij K ji ( i , j 1, 2 ,3, 4 ) 3. Stabilnost konstrukcija 18 Elementi matrice krutosti se određuju direktnim postupkom. Element matrice krutosti Kij jednak je generalisanoj sili Ri usled generalisanog pomeranja qj = 1 (kada su sva ostala generalisana pomeranja jednaka nuli) 3. Stabilnost konstrukcija 19 Fizičko značenje elemenata matrice krutosti 3. Stabilnost konstrukcija 20 Veze između sila V, M i vektora R Vektor generalisanih sila na krajevima štapa je jednak silama dobijenim rešenjem dif. jednačine štapa sa odgovarajućim znakom: R1 V i M R 2 i R R3 V k R 4 M k Mi Vi Mk Vk R2 R1 3. Stabilnost konstrukcija R4 R3 21 Veze između sila i pomeranja po Teoriji II reda (pritisak, H=-S) M ( x ) E I v ''( x ) V ( x) dM H E I v '''( x ) Sv '( x ) dx 3. Stabilnost konstrukcija 22 Određivenje elemenata ki1 Ako zadamo da je q1=1.0, qi=0 , i1, vektor sila na krajevima je jednak elementima ki1 R1 1 k 11 R2 0 k 21 K ij R3 0 k 31 R 0 k 4 41 3. Stabilnost konstrukcija 23 Za q1= 1.0, q2 = q3 = q4 = 0 pomeranje štapa v(x) je jednako: v(x) N1 v(x) 1 N2 N3 1 0 N 4 N1(x) 0 0 [1 cos sin kx sin sin sin kx (1 cos ) cos kx ] 3. Stabilnost konstrukcija 24 Iz dobijene vrednosti za pomeranje štapa, odrede se izvodi pomeranja v ( x ) N ' 1 k sin (1 cos ) sin kx sin cos kx , 2 v ( x ) N 1 k v ( x ) N 1 k '' ''' 3 sin sin kx (1 cos ) cos kx , sin cos kx (1 cos ) sin kx 3. Stabilnost konstrukcija 25 Sile na krajevima štapa Momenti na krajevima štapa : M ( x ) E I N ''( x ) M i E IN ''(0) E I [ k (1 cos )] 2 M k E IN ''( l ) EI l 2 1 EI l 2 2 (1 cos ) 2 (1 cos ) 3. Stabilnost konstrukcija 26 Vertikalne sile na krajevima štapa V ( x ) E I N "'( x ) S N ( x ) Vi Vk EI 3 sin l 3 EI l 3 3 sin 3. Stabilnost konstrukcija 27 Prva kolona matrice krutosti: EI K 11 V i K 21 M i 3 sin l 3 EI K 31 V k K 41 M k Mk x 2 (1 cos ) l 2 EI Vi Vk y 3 l 3 EI l 2 Mi sin y R2 2 (1 cos ) R1 R4 R3 x Na sličan način se dobijaju i kolone 2, 3 i 4. 3. Stabilnost konstrukcija 28 Matrica krutosti na savijanje pritisnutog štapa tipa k po linearizovanoj teoriji II reda: 3 sin EI K 3 l sim gde je l (1 cos ) sin l (sin cos ) l (1 cos ) 2 2 3 2 sin 3 2 (1 cos ) sin , kl , 2 l ( sin ) 2 l (1 cos ) 2 l (sin cos ) l (1 cos ) 2 k |S | EI 3. Stabilnost konstrukcija 29 6.3.2 Matrica krutosti na savijanje zategnutog štapa tipa k po linearizovanoj teoriji II reda Matrica krutosti zategnutog štapa se dobija kada se u izraze za matricu krutosti pritisnutog štapa uvede sledeća smena: i , i sin i sh , 3. Stabilnost konstrukcija cos i ch 30 Matrica krutosti na savijanje zategnutog štapa tipa k po linearizovanoj teoriji II reda: 3 sh EI K 3 l z sim . l (1 ch ) sh l ( ch sh ) l (1 ch ) 2 2 l (1 ch ) 3 2 l (sh ) 2 l (ch 1) 2 l ( ch sh ) 2 2 sh 3 gde je z 2(1 ch ) sh , kl , 3. Stabilnost konstrukcija k |S | EI 31 6.3.3 Matrica krutosti na savijanje štapa tipa k - alternativni oblik Alternativni oblik matrice krutosti pritisnutog tj. zategnutog štapa dat preko funkcija i, i=1-4. 12 EI K 3 l sim 6l 12 4l 6l 2 12 3. Stabilnost konstrukcija 6l 2 2l 6l 2 4l 32 Funkcije i za pritisnut štap: sin 3 1 3 2 2 12 c (sin cos ) gde je : 4 c (1 cos ) 4 6 c ( sin ) 2 c c 2 (1 cos ) sin 3. Stabilnost konstrukcija 33 Funkcije i za zategnut štap: 1 3 1 12 t 1 4 t gde je : sh 2 3 ( ch sh ) 4 1 6 t 1 2 t ( ch 1) 2 ( sh ) t 2 (1 ch ) sh Štap bez normalne sile: i = 1.0 (i=1,2,3,4) 3. Stabilnost konstrukcija 34 Matrica krutosti štapa tipa k (aksijalno naprezanje i savijanje) Fl 2 I EI K 3 l Fl 2 I 12 1 6l 2 12 1 4l 3 6l 2 2 Fl 2 I sim . 12 1 3. Stabilnost konstrukcija 6l 2 2 2l 4 6l 2 2 4 l 3 35 6.3.4 Matrica krutosti štapa tipa g y Mi ,i Vi ,vi x Vg ,vg Vektor sila i pomeranja krajeva štapa: Vi R M i V g vi q i v g 3. Stabilnost konstrukcija 36 Fizičko značenje elemenata matrica krutosti stapa tipa g 3. Stabilnost konstrukcija 37 Određivanje g Ako se napiše relacija R = K × q za štap tipa k i postavi se uslov da je Mg = 0, dobija se obrtanje g u funkciji ostala tri parametra pomeranja: g q4 1 l ( sin cos ) [ ( 1 cos ) q 1 l ( sin ) q 2 ( 1 cos ) q 3 ] 3. Stabilnost konstrukcija 38 Zamenom g u izraze za sile i momente na krajevima štapa Ri=Kijqj, dobija se: R1 R2 R3 EI 3 l c 3 * EI 3 * EI * 3 ( l sin q1 l sin q 2 l sin q 3 ) 2 2 2 ( cos q1 l sin q 2 cos q 3 ) 3 l c gde je : 2 2 l c 3 ( cos q1 l sin q 2 cos q 3 ) 2 3 c sin cos * 3. Stabilnost konstrukcija 39 Matrica krutosti na savijanje pritisnutog štapa tipa g 3 cos EI K 3 * l c sim gde je : l sin 2 l sin 2 2 cos 2 l sin 3 cos 3 c sin cos * 3. Stabilnost konstrukcija 40 Matrica krutosti na savijanje štapa tipa g alternativan oblik: 3 5 EI K 3 l sim 3l 6 3 5 3l 6 3 5 3l 6 2 za pritisnut štap 5 1 3 3 c gde je : cos * 6 1 sin 2 3 c * c sin cos * 3. Stabilnost konstrukcija 41 Matrica krutosti na savijanje štapa tipa g za zategnut štap: 5 1 3 t gde je : ch 3 * 6 sh ch * t 1 sh 2 3 t * l |S | EI dok je za štap bez normalne sile i = 1.0 (i=5,6) 3. Stabilnost konstrukcija 42 Matrica krutosti štapa tipa g (aksijalno naprezanje i savijanje) Fl 2 I EI K 3 l Fl 2 I 3 5 3l 6 3l 6 2 sim Fl 2 I 3. Stabilnost konstrukcija 3 5 3l 6 3 5 43 Matrice krutosti štapova – funkcije i Funkcije i se mogu prikazati u zavisnosti od bezdimenzionalnog parametra *=S/PE, gde je PE Euler-ova sila izvijanja * S PE 4 PE * 4 2 2 EI l tj. 2 l S EI 2 3. Stabilnost konstrukcija * 44 Matrice krutosti štapova – funkcije i Štap tipa k Štap tipa g 3. Stabilnost konstrukcija 45 6.3.5 Matrica krutosti štapa u obliku eksponencijalnih redova Koristili smo tri oblika matrice krutosti, u zavisnosti da li je štap pritisnut, zategnut, ili je S = 0. Ako se elementi matrice krutosti prikažu u vidu beskonačnih stepenih redova, dobija se: isti oblik izraza bez obzira na pritisak ili zatezanje, nema numeričke nestabilnosti za S 3. Stabilnost konstrukcija 46 Taylorov red: sin 1 2 n ( ) sh n 1 ( 2 n 1)! cos 1 2 n 1 ( ) ch n 1 ( 2 n )! znak + zatezanje, znak – pritisak 3. Stabilnost konstrukcija 47 Funkcije i prikazane u vidu beskonačnih redova: 1 2 3 4 1 [1 12 1 n 1 [ 1 6 2 1 [ 1 4 3 1 [ 1 2 6 gde je : 1 n 1 n 1 1 n 1 1 2 ( n 1) ( 2 n 3 )! 12 1 n 1 ( ) ] n ( ) ] 2 n ( ) ] 2 ( 2 n 3 )! n 2 ( 2 n 2 )! 2 ( 2 n 1)! ( ) ] 2 ( n 1) ( 2 n 4 )! n ( ) 3. Stabilnost konstrukcija 2 n 48 5 6 1 3 g 1 3 g [1 n 1 [1 n 1 gde je : g 1 3 1 ( ) ] 2 n ( 2 n )! 1 2 ( 2 n 1)! n 1 ( ) ] 2 ( n 1) ( 2 n 1)! 3. Stabilnost konstrukcija n ( ) 2 n 49 Približne vrednosti funkcija i za prva tri člana Taylorovog reda: 1 1 2 1 3 1 4 1 1 2 10 1 2 60 4 3 4 25000 2 30 1 25000 60 1 3 11 4 25000 2 13 4 25000 3. Stabilnost konstrukcija 50 6.4 Matrica krutosti štapa tipa “s” S P P S q 1 S ls=l/2 q5 q1 q2 q3 ls=l/2 3. Stabilnost konstrukcija q4 q6 q3 l P q2 q4 q5 q 6 q1 q 2 q 3 51 Fl 2 R1 I R 2 R3 E I 3 l R4 R5 R6 Fl 2 I 12 1 6l 2 12 1 6l 2 4l 3 6l 2 2 Fl 2 I 12 1 sim . 2 Fl 2 R1 I EI R2 3 0 l R 0 3 0 0 0 q 1 6l 2 q2 2 2l 4 q 3 q1 q 2 6l 2 q 3 2 4l 3 0 q 1 0 q2 2 2 l (2 3 4 ) q 3 3. Stabilnost konstrukcija 52 6.4.1 Matrica krutosti pritisnutog štapa tipa “s” Za pritisnut štap: (S<0) 3 (sin cos ) 4 c 4 ( sin ) 2 c c 2(1 cos ) sin s 2 EI l 2 3 4 2 E I 2 sin 1 cos sin s l 2 2 1 cos sin sin 3. Stabilnost konstrukcija 53 2 2 E I 2 sin sin 1 cos s l 2 2 1 cos sin sin s 2 1 cos 2 sin 1 cos 2 EI l 2 2 1 cos sin sin 2 E I 2 1 cos 1 cos sin 1 cos s l 2 2 1 cos sin sin s s 2 E I 1 cos 2 1 cos sin l 2 sin 2 1 cos sin 2 E I 1 cos l 2 sin 3. Stabilnost konstrukcija 54 Ako se uvede da je: l 2 l s , 2 s , 1 cos 2 cos 2 dobija se s tj. EF l s Ks 0 0 EI ls 0 0 0 , sin 2 sin 2 2 cos 2 s ctg s 0 0 EI s ctg s ls 3. Stabilnost konstrukcija 55 6.4.2 Matrica krutosti zategnutog štapa tipa “s” Za zategnut štap (S>0) K sz EF l s 0 0 0 0 0 0 0 EI s cth s ls 3. Stabilnost konstrukcija 56 6.5 Matrica krutosti štapa tipa “f” Štap tipa f je konzolni štap U Teoriji I reda sile u presecima se mogu odrediti iz uslova ravnoteže U Teoriji II reda aksijalna sila S daje momenat savijanja u čvoru i koji zavisi od poprečne deformacije štapa. q2 q1 i q3 S l f 3. Stabilnost konstrukcija 57 Matrica krutosti štapa tipa f (savijanje) se dobija redukcijom matrice krutosti štapa tipa g, iz uslova da je R3=Tg=0. R1,q1 R2,q2 R3,q3 g i R1 3 5 R 2 3l 6 0 = R 3 3 5 l 3l 6 3l 6 2 3l 6 3 5 q1 3l 6 q 2 3 5 q 3 3. Stabilnost konstrukcija q 3 q1 l 6 5 q2 58 Veza između sila i pomeranja štapa tipa f (savijanje): 0 R1 R2 0 q1 S i q2 l f q1 6 2 3l 6 1 q2 5 0 3. Stabilnost konstrukcija 59 6.5.1 Matrica krutosti pritisnutog štapa tipa “f” q2 q1 5 S i q3 l F I R1 EI R2 0 l R 0 2 f 1 3 cos 3 * c 6 1 3 sin 2 * c c sin cos * 0 0 0 q1 0 q2 tg q 2 0 3. Stabilnost konstrukcija 60 6.5.2 Matrica krutosti zategnutog štapa tipa “f” q2 q1 i q3 S l f F I R1 EI R2 0 l R 0 2 5 1 3 c h 3 * t 6 1 3 s h 2 * t t sin cos * 0 0 0 q1 0 q2 th q 2 0 3. Stabilnost konstrukcija 61