Upload
elisa
View
70
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Pružnost a plasticita II., 3.ročník bakalářského studia, přednášky Janas 2010, 2011. Téma 3 Metody řešení stěn, metoda sítí. Metody řešení nosných stěn Metoda sítí Diferenční vztahy Vyjádření Airyho funkce a napětí dif. vztahy Okrajové podmínky - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
1
Katedra stavební mechanikyFakulta stavební, VŠB - Technická univerzita Ostrava
Pružnost a plasticita II., 3.ročník bakalářského studia, přednášky Janas 2010, 2011
Téma 3 Metody řešení stěn, metoda sítí.
• Metody řešení nosných stěn• Metoda sítí• Diferenční vztahy • Vyjádření Airyho funkce a napětí dif. vztahy• Okrajové podmínky• Sestavení rovnic, výpočet Airyho funkce a napětí
2
Řešení stěn metodou sítí, metoda sítí (diferenční metoda)
024
4
22
4
4
4
yyxxŘešení stěnové rovnice touto metodou spočívá v nahrazení parciálních derivací diferencemi a v převedení řešení diferenciální rovnice na řešení lineárních rovnic při splnění okrajových podmínek.
Výsledkem řešení lineárních rovnic jsou hodnoty Airyho funkce v konečném počtu bodů sítě. Následně lze vypočíst složky napětí případně hlavní napětí, jejich směry atd.
Zvolená síť může být pravoúhlá (čtvercová nebo obdélníková), trojúhelníková, nebo i radiální.
Při řešení stěn zpravidla využíváme síť pravoúhlou.
3
Řešení desek metodou sítí, vytvoření sítě
x,i
y,j
x,i
y,j
ii-1 i+1 n-1 n1 2
2
j
j-1
j+1
m-1
m
i,j
i-1, j-1
i,j+1
1ii-1 i+1 n-1 n1 2
2
j
j-1
j+1
m-1
m
i,j
i-1, j-1
i,j+1
1
dy
dx
4
Řešení stěn metodou sítí, diferenční vztahy
22
1,1,11,11,,1,1,1,11,1
2
,
2
2
2
22
,
4
1,11,11,11,11,1,,,
2
4
1,1,,1,2,
4
,
4
4
,2,1,,1,2
2
´´
,1
´´
,
´´
,1
2
,
2
2
2
4
,
4
3
,2,1,1,2
´´
,1
´´
,1
2
,
2
3
,
3
2
1,,1,
2
,
2
2
,1,,1
2
,
2
1,1,,,1,1,
2222
42
464
4642
2
22
2
2
2
2
2
yxyxyx
yxyxyxyx
yy
xxxxx
xxxxx
yyxx
yyxx
jijijijijijijijijijiji
jijijijijijijiji
jijijijijiji
jijijijijijijijijiji
jijijijijijijiji
jijijijijijijiji
jijijijijiji
5
Řešení stěn metodou sítí, stěnová rovnice po dosazení diferenčních vztahů
02
8-20
:jey x pro
x
y
y
x kde
0
2
11114
668
02
2-ji,2ji,j2,-ij2,i1-j1,-i1j1,-i1-j1,-i1j1,i
1-ji,1ji,j1,-ij1,iji,
2
2
2
,2,2
2
2,2,
2
1,11,11,11,1
2
1,
2
1,
2
,1
2
,1
22
,
4
4
22
4
4
4
jijijiji
jijijiji
jijijiji
ji
yyxx
6
Řešení stěn metodou sítí, diferenční schéma (součinitele stěnové rovnice po nahrazení derivací Airyho funkce diferenčními vztahy)
2
2
2
2
x
y
y
x
yx Pro
i-2 i-1 i i+1 i+2j+2 0 0 2
0 0
j+1 0 2 4(-1-2) 2 0
j 24(-1-2) 8+6a2+62 4(-1-2) 2
j-1 0 2 4(-1-2) 2 0j-2 0 0 2
0 0
i-2 i-1 i i+1 i+2j+2 0 0j+1 0 2 -8 2 0
jj-1 0 2 -8 2 0j-2 0 0
7
Řešení stěn metodou sítí, diferenční schéma(součinitele stěnové rovnice po nahrazení derivací Airyho funkce diferenčními vztahy)
1
yx Pro22
i-2 i-1 i i+1 i+2j+2 0 0
j+1 0 2
j
j-1 0 2j-2 0 0
i-2 i-1 i i+1 i+2j+2 0 0 1 0 0j+1 0 2 -8 2 0
j 1 -8 20 -8 1
j-1 0 2 -8 2 0j-2 0 0 1 0 0
8
Výpočet napětí
Známe-li hodnoty Airyho funkce v bodech sítě i,j, pak lze z diferenčních vztahů vypočíst také napětí:
yxyx
xx
yy
jijijijiji
jixy
jijijiji
jiy
jijijiji
jix
4
2
2
1,11,11,11,1,2
,
2
,1,,1
2
,2
,
2
1,,1,
2
,2
,
Fi,j+1
Fi,j
Fi,j-1
y
yx)i,j
Fi,j+1
Fi,j
Fi,j-1
y
yx)i,j
y)i,j
x x
Fi,jFi-1,j Fi+1,j
y)i,j
x x
Fi,jFi-1,j Fi+1,j
Fi,j
Fi-1,j+1 Fi+1,j+1
Fi-1,j-1 Fi+1,j-1
x x
y
y
Fi,j
Fi-1,j+1 Fi+1,j+1
Fi-1,j-1 Fi+1,j-1
x x
y
y
9
Okrajové podmínkyV libovolném bodě na okraji stěny musí být splněny dvě okrajové podmínky
S
Sxx
S
Syy
y
x
yxyy
yxxx
Qdspy
Qdspx
xds
d
ds
dx
yxds
dx
xp
yds
d
ds
dx
yxds
dy
yp
ds
dxαs
ds
dyαp
p
00
in cos protože sincos
sincos
2
2
2
2
2
2
Integrál označený Qy představuje součet y-ových složek povrchového zatížení v úseku SoS okraje stěny, obdobně je tomu u Qx
S
Sy
o
dsp
10
Okrajové podmínky, L´Hermiteova
analogie S využitím odvozeného lze formulovat L´Hermiteovu analogii (dva
body):1. Derivace funkce napětí ve směru vnější normály k hranici
stěny je rovna normálové síle na fiktivním rámu, jehož střednice má stejný tvar a přenáší stejné zatížení jako hranice. Kladná normálová síla je tahem.
NQQyxn
yQ
xQ
xy
xy
sincossincos
je a Protože
11
Okrajové podmínky, L´Hermiteova analogie, pokračování
2. Funkce napětí v hraničním bodě stěny je rovna ohybovému momentu v průřezu fiktivního rámu. Kladný ohybový moment způsobuje tah ve vnitřních vláknech rámu.
Ohybový moment v bodě se souřadnicemi [x,y] je:
ddd dosazení po
dsd Protože
. , kde
d)()(d)()(
0
S
S
S
S
S
Syx
S
Syx
oo
S
Syxx
S
Syx
o
oo
oo
M
ds
dQ
ds
dQ-Qx(s)Qy(s)sξpηp
)x(sx(s))y(sy(s)
sppsxQsysxpypM
12
Okrajové podmínky, L´Hermiteova analogie, pokračování
Podle L´Hermiteovy analogie se statické okrajové podmínky redukují na určení funkce napětí a její derivace ve směru vnější normály k hranici stěny. Výpočet normálových sil a ohybových momentů na fiktivním rámu je úlohou staticky neurčitou. Vytvoříme-li z rámu konstrukci staticky určitou se zavedenými staticky neurčitými silami Mo,No a Qo, pak jejich přírůstek k funkci napětí bude lineární funkcí proměnných x,y:
yNxQM oooo Složky napětí jsou dány druhými parciálními derivacemi o podle x a y. Ty budou nulové a jejich příspěvek k napjatosti stěny bude nulový.
Fiktivní rám můžeme považovat za konstrukci staticky určitou.
13
Aplikace L´Hermiteovy analogie Zatížení stěny odpovídá fiktivnímu rámu na obr.
Ve sloupech fiktivního rámu jsou normálové síly.
Derivace funkce napětí ve směru vnější normály k hranici stěny je rovna normálové síle na fiktivním rámu.
V našem případě platí:
xNNxx
Nxn
jijijiji
2
2 ,1,1,1,1
Pozor na směr normály k fiktivnímu rámu !
14
Aplikace L´Hermiteovy analogie,
pokračování Zatížení stěny odpovídá fiktivnímu rámu na obr.
V příčlích fiktivního rámu nejsou normálové síly.
Derivace funkce napětí ve směru vnější normály k hranici stěny je rovna normálové síle na fiktivním rámu.
V tomto případě platí:
1,1,
1,1, 02
0
jiji
jiji
xx
yn
15
Aplikace L´Hermiteovy analogie,
pokračování Zatížení stěny odpovídá fiktivnímu rámu na obr.
Zatížení vyvolává ohybový moment v příčlí rámu
Funkce napětí v hraničním bodě stěny je rovna
ohybovému momentu v průřezu fiktivního rámu. V tomto případě platí: MΦ V těch hraničních bodech, kde je M=0, je také =0
16
Postup výpočty stěny metodou sítí
1. Nakreslí se výpočetní model stěny.2. Určí se dle l´Hermiteovy analogie funkce napětí na
obryse stěny, M=3 Určí se normálová síly ve fiktivním rámu stěny, který je
derivací funkce napětí ve směru vnější normály k hranici stěny a hodnotu funkce napětí vně obrysu stěny.
4. Sestaví se matice pro výpočet hodnot napětí v jednotlivých bodech sítě.
5. Řeší se soustavu lineárních rovnic. Jejich počet odpovídá počtu uzlů sítě. Výsledkem jsou hodnoty funkce napětí v uzlech sítě.
17
Postup výpočty stěny metodou sítí
6. Hodnoty napětí v jednotlivých bodech sítě jsou podkladem pro výpočet složek napětí. Pokud se při výpočtu M a N počítalo s jednotkovou tloušťkou stěny a ta je jiná, zahrne se toto do výpočtu napětí.
7. Provede se kontrola vypočtených složek napětí, zejména na okrajích stěny.
8. Vypočtou se hodnoty hlavních napětí.9. Vypočtou se směry hlavních napětí.10. Vypočtou se maximální smyková napětí.
18
Program č.1, zadání Nosná obdélníková stěna o délce l=6 m, výšce b=(6-0,15n)m a šířce t=0,4 m je zatížená spojitým zatížením f=2kN/m působícím svisle na horním okraji stěny. Stěna je podepřena posuvným a neposuvným pevným kloubem, které jsou umístěny na koncích spodního okraje stěny.Vypočtěte metodou sítí složky napětí v nosné stěně včetně hlavních napětí a jejich směry. V ose nosné stěny vykreslete průběh hlavních napětí 1 a 2.
19
Schéma rozdělení stěny
20
Použitá literatura
[1] Šejnoha, J., Bittnarová, J., Pružnost a pevnost 20, České vysoké učení technické v Praze, Vydavatelství ČVUT, 1998