background image

X L V I I I   K O N F E R E N C J A   N AU K O W A 

KOMITETU  INŻ YNIERII  LĄ DOWEJ  I  WODNEJ  PAN 

I  KOMITETU  NAUKI  PZITB 

Opole – Krynica

 

2002

 

 
 
 
 
 
 
Rajmund Leszek IGNATOWICZ

1

 

Ernest KUBICA

2

 

 
 
 

ANALIZA STATECZNOŚ CI SŁ UPÓ W STALOWYCH 

OBCIĄŻ ONYCH Ś CISKANIEM ZMIENNYM W CZASIE  

 
 

1.  Wprowadzenie 

 

Wspó łczesne metody obliczania konstrukcji stalowych, ujęte w formie przepisó w i wytycz-
nych  w  normatywach  krajowych  i  europejskich,  dotyczą   analiz  konstrukcji  dla  obcią ż eń   o 
charakterze quasi-statycznym. Pojawienie się w konstrukcji oddziaływań  dynamicznych np. 
ś ciskanie  słupa  siłą   wzrastają cą   w  czasie,  nie  pozwala  na  wyznaczenie  wspó łczynnikó w 
niestatecznoś ci ogó lnej 

j

 z zależ noś ci zawartych w opracowaniach [1], [6], [8], [9]. Wartoś ć 

krytyczna obcią ż enia zależ y od jego przebiegu [3], [7], jest inna dla obcią ż eń  szybkozmien-
nych, inna w przypadku obcią ż eń  mają cych charakter wolnozmienny. W pracy podjęto pró bę 
wyznaczenia  ś cież ki  ró wnowagi  dynamicznej  słupa  stalowego  obcią ż onego  ś ciskaniem 
zmiennym  w  czasie.  W  celu  uproszczenia  analiz  teoretycznych  i  numerycznych,  przyjęto 
założ enie, ż e przekró j poprzeczny słupa jest w klasie 1 wg kryterió w zawartych w polskiej 
normie [9].  

 

awaryjne napełnianie

zbiornika buforowego

wybuch

a.

b.

 

Rys. 1. Wybrane przykłady obcią ż eń  szybko (a) i wolno zmiennych (b) 

                                                 

1

  Dr inż ., Wydział Budownictwa Lą dowego i Wodnego Politechniki Wrocławskiej 

2

  Dr hab. inż., Prof. PWr, Wydział Budownictwa Lą dowego i Wodnego Politechniki Wrocławskiej 

background image

 

 

54 

Wyboczenie dynamiczne pręta jest stanem ruchu, podczas któ rego ugięcia wykazują  tenden-
cję nieograniczonego wzrostu. Ruch ten został wzbudzony ś ciskaniem podłuż nym.  

Pochodzenie siły ś ciskają cej dynamicznie pręt moż e być rezultatem uderzenia pewnego 

ciała sztywnego i nazywa się to wyboczeniem uderzeniowym. Siła ś ciskają ca moż e pocho-
dzić od fali ciś nienia (np. po wybuchu), wó wczas obcią ż enie wzrasta do wartoś ci maksymal-
nej w okreś lonym czasie (rys.1). 

Wzbudzenie  ruchu  poprzecznego  przez  obcią ż enie  wzrastają ce  w  czasie  wymaga  ist-

nienia  pewnych  czynnikó w  inicjują cych  tzn.:  wstępnego  wygięcia,  mimoś rodowoś ci  siły 
ś ciskają cej, niejednorodnoś ci materiałowej, imperfekcji strukturalnych itp. W rozważ aniach 
analitycznych najczęś ciej uwzględnia się tylko jeden z tych czynnikó w, mianowicie odstęp-
stwo od prostoliniowoś ci osi geometrycznej pręta. 

Wspó łczesne badania ś wiatowe dotyczą  analiz konstrukcji pod obcią ż eniami typu uda-

rowego tzn. obcią ż enia typu kró tkotrwałego impulsu [3], [5]. 
 

2.  Schemat statyczny i obcią ż enie słupa 

 

Analiza dotyczy zachowania się pręta zginanego siłą  ś ciskają cą  w kierunku osiowym z po-
minięciem  sił  bezwładnoś ci  w  tym  kierunku.  Pomija  się  w  ten  sposó b  problem  drgań   po-
dłuż nych, a więc sprzęż eń , jakie w rzeczywistoś ci istnieją  pomiędzy ruchem poprzecznym i 
podłuż nym.  Przyjęcie  takiego  założ enia  jest  moż liwe,    gdy  są   spełnione  dwa  warunki  [3]. 
Pierwszy z nich stanowi, ż e obliczenia dotyczą  wyłą cznie pó źniejszej fazy ruchu (stłumienie 
drgań  podłuż nych) [7], [3], [5], zaś  dominują cą  formą  ruchu stały się quasi-stacionarne drga-
nia  giętne.  To  oczywiś cie  moż na  sprowadzić  do  przyjęcia  intensywnego  tłumienia  we-
wnętrznego (cecha większoś ci materiałó w konstrukcyjnych). Drugi warunek dotyczy obcią -
ż enia tzn. obcią ż enie  musi działać przez dostatecznie długi czas i zmieniać  się stosunkowo 
powoli;  przyrost  obcią ż enia  w  czasie  ró wnym  okresowi  drgań   podłuż nych  pręta  powinien 
być mały wobec wartoś ci maksymalnej. 
 

Pominięcie w rozważ aniach bezwładnoś ci osiowej znacznie upraszcza analizę, pozwa-

lają c sprowadzić problem z układu ró wnań  ró ż niczkowych do ró wnania o pochodnych czą st-
kowych ze wspó łczynnikiem funkcyjnym. 
 

Zakłada się, ż e  materiał podlega prawu Hooke’a – rozwią zanie dotyczy tylko obszaru 

spręż ystego.  Przyjęto  następują ce  falowe  ró wnanie  ró ż niczkowe  drgań   giętnych  pręta  ś ci-
skanego (model Bernoulliego-Eurela): 
 

4

4

2

2

2

2

4

4

x

w

t

w

x

w

x

w

0

=

+

×

e

+

   

 

 

(1) 

 
gdzie:  

0;

 

  

);

1

,

0

[

 ;

)

(

  

;

  

;

/

 

  

;

)/

)

(

2

³

Î

×

=

e

×

×

×

=

=

=

t

x

F

E

t

N

F

ρ

J

E

L

t

t

L

x

x

L

x,t

w

x,t

 

w

 

 

L - długoś ć pręta, t - czas, E - wspó łczynnik spręż ystoś ci podłuż nej, J - moment bezwładno-
ś ci przekroju słupa, 

r

 - cięż ar objętoś ciowy materiału, F - pole przekroju słupa.  

 

Pierwsze sformułowanie zagadnienia statecznoś ci dynamicznej pręta, o przyrastają cym 

w czasie skró ceniu podał Hoff [3] uzyskują c rozwią zanie asymptotyczne, któ re zostało roz-
wią zane z większą  dokładnoś cią  przez  Schoenberg’a [3].  

background image

 

 

55 

f

o

L

L/r

N[t]

s t

 

Rys. 2. Model statyczny słupa 

 

W analizie przyjęto schemat statyczny jak na rys.2, zaś  funkcje przemieszczeń  w posta-

ci następują cych wyraż eń : 

 

( )

(

)

 

π

m

 

sin

)

,

(

m

x

 t 

f

r

t

x

w

×

×

×

×

=

,   

 

 

(2) 

 

(

)

x

f

r

x

w

o

×

p

×

×

×

=

m

sin

)

(

0

,  

 

 

 

(3) 

 
gdzie: r – promień  bezwładnoś ci przekroju poprzecznego pręta, 

)

1

 ,

0

(

Î

x

Rozpatrują c zachowanie się pręta dwuprzegubowego z wygięciem wstępnym, obcią ż o-

nego  siłą   ś ciskają cą   powodują cą   jednostajne  zbliż anie  koń có w  (

t

s

×

=

D

,  gdzie  s  -  stała), 

moż na skró cenie słupa wyrazić wzorem: 

 

(

)

2

0

2

)

(

π

m

)

(

f

t

f

t

s

t

m

-

×

÷

ø

ö

ç

è

æ ×

-

×

=

e

.    

 

 

(4) 

 

Podstawiają c powyż sze  wzory (2), (3) do ró wnania (1) i odpowiednio przekształcają c 

otrzymuje się następują ce ró wnanie ró wnowagi [3],[7]: 
 

(

)

0

4

2

2

2

2

2

..

Ω

4

f

m

f

f

f

m

τ

m

Ω

m

f

m

o

m

m

×

×

=

×

ú

û

ù

ê

ë

é

-

×

+

-

×

×

+

 

 (5) 

 

gdzie: 

r

=

t

=

×

×

÷

ø

ö

ç

è

æ

p

l

=

l

p

×

÷

ø

ö

ç

è

æ

=

W

E

d

f

d

f

L

t

s

τ

s

c

m

m

c

 ;

 ;

 ;

2

2

..

2

2

2

2

 

Ró wnanie  (5)  jest  ró wnaniem  nieliniowym  ze  wspó łczynnikiem  funkcyjnym  i  z  tego 

powodu nie ma rozwią zania zamkniętego. Rozwią zania ró wnania (5) moż na poszukiwać za 
pomocą   rozwią zań   asymptotycznych    jak  to  uczynił  Hoff  [3].  Druga  moż liwoś ć,  to  nume-
ryczne  całkowanie  ró wnania  (5)  np.  metodą   Rungego-Kutty.  Taką   drogę  przyjęto  w  pracy 
rozwią zują c zagadnienie numerycznie w zintegrowanym ś rodowisku modelowania matema-
tycznego programu Mathematica v.3.0 [10] dla każ dego przypadku osobno. 

Poszukiwanie siły  krytycznej dla słupa obcią ż onego ś ciskaniem  w  sposó b powyż ej opi-

sany,  obarczonego  wstępnym  wygięciem  w

o

(t)  nie  jest  moż liwe  przy  takim  sformułowaniu 

zagadnienia. Jest to zagadnienie teorii II rzędu. Warunki rzeczywistej pracy słupó w o duż ych 

background image

 

 

56 

smukłoś ciach zmuszają  do analizy pręta z  wstępnym  wygięciem, bowiem w istotny sposó b 
wpływa ono na przebieg ś cież ki ró wnowagi i wartoś ć maksymalnego obcią ż enia. 

Zagadnienie to moż na ograniczyć do takich wartoś ci sił osiowych przy któ rych pojawia 

pierwsze  gwałtowne  przejś cie  ze  stanu  spoczynku  w  wyraźny  ruch  drgają cy.  Przy  znanym 
przebiegu funkcji f

m

 (t) moż liwe staje się wyznaczenie pierwszego lokalnego maksimum sił 

osiowych z zależ noś ci: 

 

( )

(

)

÷

÷
ø

ö

ç

ç
è

æ

-

×

÷

ø

ö

ç

è

æ

l

×

p

×

-

×

×

×

=

2

 

0

2

2

)

(

2

f

t

f

m

t

s

F

E

t

N

m

,  

 

 

(6) 

 

co moż na uznać za tzw. umowną  ,,siłę krytyczną ''. 

Tak opracowany algorytm rozwią zywania pozwala sporzą dzić procedurę obliczeniową  

w programie Mathematica v.3.0 [10]. Przykładowe schematyczne zależ noś ci do wyznaczenia 
tzw. "umownych parametró w krytycznych" pokazano na rys. 3. 

 

1.0

t

f

m

(

t

)

rozwiazanie

statyczne

1

1

t

N

m

(

t

)/N

kr

1

t

f

m stat.

/f

m dyn

a)

b)

c)

0.005

1

2

3

4

 

 

Rys.  3.  Przykładowo  wyznaczone  zależnoś ci  uzyskane  drogą   numerycznego  całkowania 
ró wnania  (5):  a)  przemieszczenia  względne  ś rodka  słupa  f

m

(

t

),  b)  zależnoś ć  siły  osiowej 

N

m

(

t

), c) stosunek przemieszczeń  statycznych do dynamicznych, w funkcji umownego czasu  

 

Na  podstawie  tak  sporzą dzonych  wykresó w  wykonano  obliczenia  słupó w  o  ró ż nych 

smukłoś ciach,  dla  ró ż nych  wielkoś ci  wygięć  wstępnych.  Obliczenia  wykonano  dla  wybra-
nych prędkoś ci przyrostu siły ś ciskają cej. 

 

3.  Wybrane wyniki analiz teoretycznych i numerycznych  

 
W pierwszym kroku analiz podjęto pró bę okreś lenia wielkoś ci wpływu wstępnego wygięcia na 
wielkoś ć maksymalnej siły osiowej. Na rys. 4 pokazano zależ noś ć N

m

(

t

dla ró ż nych wielkoś ci 

wygięcia  wstępnego  pręta  o  smukłoś ci 

l

  =  250  i  prędkoś ci  przyrostu  skró cenia  koń có w  s  = 

0,0002.  Wyraźnie  widać,  ż e  im  większa  strzałka  wstępnego  wygięcia  tym  mniejsza  wartoś ć 
maksymalnej siły osiowej, jednak w każdym przypadku jest ona większa niż  wartoś ć siły kry-
tycznej  dla  obcią żeń   statycznych.  Całe  zjawisko  ma  bezpoś rednie  przełożenie  na  chwilową  
sztywnoś ć słupa. Na rys. 5 poró wnano przemieszczenia ś rodka słupa dla obcią żeń  zmiennych i 
quasi-statycznych. Moż na stwierdzić, że przemieszczenia dla obcią żeń  dynamicznych są  nawet 
kilkakrotnie mniejsze od swoich odpowiednikó w dla obcią żeń  statycznych. 

background image

 

 

57 

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

t

N

m

(

t

)/N

kr

l

 

 = 250

fo=1/1000

N[

t

]

f

m

[

t

]

s  = 0,00021

fo=1/500

fo=1/250

 

 

Rys. 4. Zależ noś ć maksymalnej siły osiowej od wielkoś ci począ tkowego wygięcia  

dla słupa o smukłoś ci prętowej 

l

 = 250. 

 

 

1

2

3

fo=1/1000

fo=1/500

fo=1/250

f

m stat.

/f

m dyn.

N[

t

]

f

m

[

t

]

1

1.4

t

= 250

s  = 0,00021

 

 

Rys. 5. Poró wnanie  ugięć statycznych i dynamicznych dla słupa  

o smukłoś ci prętowej 

l

 = 250 

background image

 

 

58 

W drugim  kroku analizy zbadano jaki  wpływ  wywiera  wielkoś ć prędkoś ci obcią ż enia 

na wartoś ć pierwszego lokalnego maksimum siły osiowej N

m

(

t

)

 

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0.5

1.0

1.5

2.0

t

N

m

(t)/N

kr

= 200

N[

t

]

f

m

[

t

]

f

= L/200

v =7.1kN/s

v =43.1kN/s

v =13.0kN/s

 

 

Rys. 6. Zależ noś ć N

m

(

t

dla ró ż nych prędkoś ci przyłoż enia obcią ż enia 

 

 

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

v =43.1kN/s

v =7.1kN/s

v =13.0kN/s

rozwiązanie
statyczne

f

m dyn.

N[

t

]

f

m

[

]

= 200

f

o 

= 1/200

1.0

2.0

0,5

1,5

t

 

 

Rys. 7. Zależ noś ć f

m

(

t

dla ró ż nych prędkoś ci przyłoż enia obcią ż enia 

 

Na  rys.  6  przedstawiono  zależ noś ć  N

m

(

t

)  dla  słupa  o  smukłoś ci  prętowej 

l

  =  200   

f

o

  =  1/200, dla  ró ż nych  prędkoś ci  przyłoż enia  obcią ż enia v.  Wraz  ze  wzrostem  prędkoś ci 

obcią ż enia v obserwuje się zwiększenie  maksymalnej siły  osiowej, po przekroczeniu któ rej 
następują  oscylacje o amplitudach tym większych im większa jest prędkoś ć przyrostu obcią -

background image

 

 

59 

żenia. Wartoś ci maksymalnej siły ś ciskają cej mogą  być większe o nawet 48% od siły krytycznej 
wyznaczonej dla identycznego schematu statycznego, ale przy obcią żeniu stycznym.  

Wzrost maksymalnej siły osiowej  wynika z opó źniają cego działania sił bezwładnoś ci, 

co moż na doskonale przedstawić w formie wykresó w f

m

(

t

). Na rys. 7 przedstawiono zależ -

noś ci f

m

(

t

) dla ró ż nych prędkoś ci obcią ż enia. Wydać wyraźne opó źniają ce działanie sił bez-

władnoś ci tym większe im większa jest prędkoś ć przyrostu obcią ż enia.  

 

0.75

1.25

1.50

1.75

1.00

f

m stat.

/f

m dyn.

N[

t

]

f

m

[

t

]

l  

= 200

f

= 1/200

v =43.1kN/s

v =13.0kN/s

v =7.1kN/s

0.5

1.0

1.5

2.0

t

 

Rys. 8. Zależnoś ć przemieszczeń  w funkcji umownego czasu 

t

 dla ró żnych prędkoś ci obcią żenia 

 

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 110 120 130 140 150

= 250

= 2

00

= 1

50

= 1

00

[sek]

N/N

kr

f

o

 = 

1/1000

L

L/r

N[t]

Rys. 9. Poró wnanie „umownej siły krytycznej” w stosunku do siły Eulera, dla wybranych 

smukłoś ci prętowych, w funkcji potrzebnego czasu do osią gnięcia N

m max

(t) 

 

4.  Wnioski 

 

Podsumowują c moż na stwierdzić, ż e dla prętó w obcią ż onych ś ciskaniem zmiennym w cza-
sie, szybki wzrost ugięć zaczyna się z chwilą  przekroczenia odpowiedniej wartoś ci eulerow-

background image

 

 

60 

skiej. Szybkoś ć tych zmian jest wpełni zależ na od prędkoś ci obcią ż enia i wielkoś ci wstępne-
go ugięcia. Po osią gnięciu pierwszego maksimum krzywa ugięć dynamicznych i siły osiowej 
oscyluje  wokó ł  rozwią zania  dla  obcią ż eń   quasi-statycznych,  przewyż szają c  je  tym  bardziej 
im większa jest szybkoś ć obcią ż enia. Syntezą  tego typu analiz są  krzywe obrazują ce zależ -
noś ć maksymalnej siły osiowej od czasu potrzebnego do osią gnięcia obcią ż enia maksymal-
nego (rys. 9).   

Jak widać na podstawie przeprowadzonych analiz, problem okreś lenia parametró w kry-

tycznych dla opisanych powyż ej obcią ż eń  jest na tyle złoż ony, iż  nie moż na stworzyć prostej 
formuły  okreś lania  parametró w  krytycznych.  Analizę  konstrukcji  dla  tego  typu  obcią ż eń  
należ y  rozszerzyć  na  obszar  spręż ysto-plastyczny  oraz  elementy  cienkoś cienne,  co  jest  dla 
autoró w kolejnym wyzwaniem. 

 

Literatura 

 
[1]  BIEGUS A., Nośność graniczna stalowych konstrukcji prę towych, Warszawa-Wrocław, 

PWN, 1997. 

[2]  BREZINA W., Stateczność prę tów konstrukcji metalowych, Arkady, Warszawa 1966. 
[3]  GRYBOŚ   R.,  Stateczność  konstrukcji  pod  obcią żeniem  uderzeniowym,  Warszawa, 

PWN, 1980. 

[4]  IGNATOWICZ  R.,  KUBICA  E.,  Analiza  statecznoś ci  płyt  obcią ż onych  ś ciskaniem 

zmiennym  w  czasie.  Konferencja  naukowa  Badania  nośności  granicznej  konstrukcji 
metalowych. II Konferencja Naukowa,
 Wrocław-Karpacz, 18-20 października 2001. 

[5]  KENNY S., PEGG N., TAHERI F., Dynamic elastic buckling of a slender beam with 

geometric  imperfections  subject  to  an  axial  impulse,  Finite  Elements  in  Analysis  and 
Design, 
Elsevier, No 35, 2000. 

[6]  KUBICA E., Noś noś ć graniczna i sztywnoś ci słupó w stalowych o przekrojach skrzyn-

kowych zamkniętych, Prace Naukowe Instytutu Budownictwa PWr, Nr 60, 1991. 

[7]  LEPIK U., On dynamic buckling of elastic-plastic beams, International Journal of Non-

linear Mechanics, No.35, 2000, s.721-734. 

[8]  PN-ENV  1993-1-1/AK.  Eurokod  3,  Projektowanie  konstrukcji  stalowych  cz.1.1. 

COBPKM „Mostostal” S.A., Warszawa, 1993. 

[9]  PN-90/B-03200, Konstrukcje staloweObliczenia statyczne i projektowanie. 
[10]  Mathematica v.3.0, Wolfram Research, New York, 1998. 
 
 
 

ANALYSIS OF STABILITY OF STEEL COLUMN  

UNDER COMPRESSION VARIABLE IN TIME TERM

 

 

Summary 

 

 

Changes of path of the dynamic equilibrium for column under loading variable in time term 
have  been  presented.  The  analysis  has  been  carried  out  considering  nonlinear  equations  of 
the slender column equilibrium when the both inertion factor and geometrical imperfections 
are taken into account. Problem has been solved numerically by  Runge-Kutty. The main aim 
of the paper is to shed light on the problem how the deflection and critical load depend on 
the velocity of the acting load.