background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

 

materiały do wykładu nr 1 

 

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Dyskretyzacja ustroju konstrukcyjnego 

Dyskretyzacja

 ustroju polega na wyborze punktów nazywanych węzłami,  

co prowadzi do podziału na elementy 

• W wyniku dyskretyzacji układ zostaje podzielony na elementy 
• Elementy opisujemy w lokalnych układach współrzędnych 

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Określenie liczby niewiadomych wiąże się z podziałem konstrukcji na elementy. 

Niewiadome zestawiamy w wektor przemieszczeń węzłowych układu q

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Stan przemieszczenia ustroju będziemy opisywać poprzez uogólnione przemieszczenia 
węzłów konstrukcji (przesunięcia i obroty). 

Liczba stopni swobody węzła: 
• liczba przemieszczeń pojedynczego węzła układu 
• zależy od przyjętego modelu układu (rodzaju konstrukcji) 

Układ belkowy 

Rama płaska 

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Kratownica przestrzenna 

Kratownica płaska 

Rama przestrzenna 

Ruszt załamany w planie 

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Macierz sztywności i podatności układu 

Dla dowolnego układu można określić wektor uogólnionych przemieszczeń 
węzłowych q oraz odpowiadający mu wektor obciążeń węzłowych 

Między elementami wektorów q i R istnieje zależność: 

Kq = R

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Metody wyznaczania macierzy K oraz F 

a) Macierz K można wyznaczyć metodą jednostkowych stanów przemieszczeń 

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Metody wyznaczania macierzy K oraz F 

a) Macierz K można wyznaczyć metodą jednostkowych stanów przemieszczeń 

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Metody wyznaczania macierzy K oraz F 

b) Macierz F można wyznaczyć metodą jednostkowych stanów obciążeń 

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

10 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Własności macierzy K oraz F 

1. Jeżeli 

det( )

0

K

1

    

F = K

det( )

0

F

1

    

K = F

2. Warunek det(K) ≠ 0 jest warunkiem wystarczającym geometrycznej 
niezmienności układu. 
Jeżeli macierz K jest osobliwa, to układ jest geometrycznie zmienny,  
a macierz F nie istnieje. 

3. Jeżeli przemieszczenia w wektorze q są liniowo zależne, to macierz F jest 
osobliwa, a macierz K nie istnieje 

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

11 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Własności macierzy K oraz F 

4. Macierze K i F są symetryczne. 
 
Symetria macierzy K wynika z twierdzenia o wzajemności reakcji, 
symetria macierzy F wynika z twierdzenia o wzajemności przemieszczeń. 

5. Macierze K i F są jądrami form kwadratowych, poprzez które wyraża się 
energia potencjalna odkształcenia sprężystego układu: 

1

1

2

2

T

T

p

E

q Kq

R FR

Jeżeli E

p

 > 0

, to układ jest geometrycznie niezmienny, zaś macierze K i F są 

dodatnio określone 

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

12 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Macierz sztywności elementu belkowego 

Element belkowy 

T

j

i

i

k

k

v

v

D

T

j

ik

ik

ki

ki

T

M

T

M

S

el

j

k

el

j

j

j

S

k D

Dla każdego elementu j można zapisać zależności przywęzłowych sił  
i przywęzłowych przemieszczeń, tzn. utworzyć macierz sztywności elementu    

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

13 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Macierz sztywności elementu belkowego 

Element belkowy – cechy: 
 posiada 2 stopnie swobody w węźle 
 założenie podłużnej nieodkształcalności 
 tylko do układów o ortogonalnej siatce prętów 
 prawidłowa dyskretyzacja musi zapewnić zgodność przemieszczeń 

elementowych z przemieszczeniami globalnymi 

 

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

14 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Macierz sztywności elementu belkowego 

W celu wyznaczenia macierzy sztywności elementu k

j

el

 na kierunkach wektora 

D

j

 zakładamy więzy i rozpatrujemy stany jednostkowych przemieszczeń 

3

2

3

2

2

2

3

2

3

2

2

2

12

6

12

6

6

4

6

2

12

6

12

6

6

2

6

4

ik

i

ik

i

ki

k

ki

k

EI

EI

EI

EI

L

L

L

L

T

v

EI

EI

EI

EI

M

L

L

L

L

T

v

EI

EI

EI

EI

M

L

L

L

L

EI

EI

EI

EI

L

L

L

L

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

15 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Macierz sztywności elementu belkowego 

W celu wyznaczenia macierzy sztywności elementu k

j

el

 na kierunkach wektora 

D

j

 zakładamy więzy i rozpatrujemy stany jednostkowych przemieszczeń 

3

2

3

2

2

2

3

2

3

2

2

2

12

6

12

6

6

4

6

2

12

6

12

6

6

2

6

4

ik

i

ik

i

ki

k

ki

k

EI

EI

EI

EI

L

L

L

L

T

v

EI

EI

EI

EI

M

L

L

L

L

T

v

EI

EI

EI

EI

M

L

L

L

L

EI

EI

EI

EI

L

L

L

L

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Metody Obliczeniowe 

Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Politechnika Gdańska 
B u d o w n i c t w o ,  s e m e s t r  5 ,   r o k  a k a d e m i c k i  2 0 1 3 / 1 4  

Magdalena Rucka 

 

16 

Macierzowa metoda przemieszczeń 

Podsumowanie 

Dyskretyzacja

 układu: 

 Podział układu na zbiór węzłów i elementów 

 

 Opis zależności teoretycznych przez: 
         
       a) wielkości globalne odniesione do węzłów: 
              - wektor przemieszczeń węzłowych 
              - wektor obciążeń węzłowych 
 
       b) wielkości odniesione do przekrojów przywęzłowych elementów: 
              - wektor przemieszczeń przywęzłowych D

              - wektor sił przywęzłowych S

j