1. Obliczenie płyty swobodnie podpartej na obwodzie Schemat podstawowy

11

12

13

14

15

21

22

23

24

25

Gdzie:

a = 5 m

a

31

32

3 3

34

35 → P = 15 kN

kN

→ q = 2

2

m

41

42

43

44

45

51

52

53

54

55

a

Dyskretyzacja układu wraz z obciążeniem zastępczym 11

12

13

14

15

∆ x

q

~

21

22

23

24

25

5

x

∆ = = ,

1 25 m

∆ x

4

q

~

31

32

33

34

35

P

15

~

kN

q =

∆ x

(

=

=

x

∆ )

,

9 6

2

( ,125)2

2

m

42

q

~

41

43

44

45

∆ x

51

52

53

54

55

∆ x

∆ x

∆ x

∆ x

Sformułowanie zagadnienia brzegowego

∂4 (

w x, y)

∂4 (

w x, y) ∂4 (

w x, y)

q( x, y)



+ 2

+

=

4

2

2

4



∂ x

∂ x ∂ y

∂ y

D

 x = const.





w = ,

0

M x = 0

 y = const.

 w= ,0 My =0

M

→ w

= − w oraz w

= − w

x = 0

k '

1

,

k ,2

k ,5'

k ,4

M

→ w

= − w oraz w = − w y = 0

,'

1 j

2, j

5 ,' j

4, j

w

w

w

w

j =

k

=

j =

k

= 0

,

1

1

,

5,

,5

gdzie: k, j ∈ N ∧ k, j ∈ 1: 5 (współrzędne punktu płyty) Ilorazy różnicowe dla węzłów wewnętrznych i leżących w pobliżu krawędzi Ilorazy różnicowe

4

∂ (

w x, y)

1

≅

w

w

w

w

w

k j

− 4 k j + 6 k j − 4 k j +

4

4 (

, −2

,

1

−

,

,

1

+

k , j +2 )

∂ x

∆ x

4

∂ (

w x, y)

2

2

≅

w

w

w

w

w

w

w

w

w

k

j

− 2 k j + k j − 2 k j + 4 k j − 2 k j + k j − 2 k j +

2

2

4 (

− ,

1

1

−

− ,

1

− ,

1

1

+

,

1

−

,

,

1

+

+ ,

1

1

−

+ ,

1

k + ,

1 j 1

+ )

∂ x ∂ y

∆ x

4

∂ (

w x, y)

1

≅

− 4

+ 6

− 4

+

4

4 ( w

w

w

w

w

k −2, j

k − ,

1 j

k , j

k + ,

1 j

k +2, j )

y

∂

x

∆

Po zsumowaniu:

1

w

2 w

8 w

2 w

w

8 w

20 w

8 w

w

4 (

k −2, j +

k − ,

1 j−1 −

k − ,

1 j +

k − ,

1 j +1 +

k , j −2 −

k , j −1 +

k , j −

k , j +1 +

k , j 2 +

∆

+

x

q( x, y)

+ 2 w + − − 8 w + + 2 w + + + w +

=

,

k

,

1 j 1

k

,

1 j

k

,

1 j 1

k 2, j

D

czyli:

20 w

− 8 − +

− +

+ +

+

+ 2 − − + − + + + − + + + +

k , j

( w

w

w

w

k

,

1 j

k , j 1

k , j 1

k

,

1 j )

( w

w

w

w

k

,

1 j 1

k

,

1 j 1

k

,

1 j 1

k

,

1 j 1 )

q ⋅ x 4

∆

+ w − + w − + w + + w + =

k 2, j

k , j 2

k , j 2

k 2, j

D

Równania różnicowe dla węzłów siatki dyskretyzacyjnej 3

Sztywność płyty :

=

Eh

D

12 ⋅ (

2

1 −ν )

Przyjęto: E = 3 G

0 Pa (B25), ν = ,

0 2 , h =

a

1

,

0

= 5

,

0 m

Eh 3

6

3

30 ⋅10 ⋅ 5

,

0

D =

=

=

⋅

12 ⋅ (

,

3 2552 10

2

1−ν ) 12⋅(

2

1− ,

0 2 )

5 kNm

o Węzeł 22

⋅ ∆ 4

20 w

22 −

(8 w 12 + w 21 + w 23 + w 32)+ (2 w 11 + w 13 + w 31 + w 33) q

x

+ w '12 + w 2 '1 + w 24 + w 42 = 4⋅ D

4

⋅

20 w − w + w

+ w − w − w + w + w =

22

(8 23 32)

2 ,

1 25

2 33

22

22

24

42

4 ⋅ 325520

18 w − 8 w − 8 w + 2 w + w + w

−5

= 3

,

0 75 ⋅10 m

22

23

32

33

24

42

o Węzeł 23

4

~

,

0 25 +

+ ∆

⋅

20 w − 8

+

+

+

+ 2

+

+

+

+

+

+

+

=

23

( w w w w

13

22

24

33 )

( w w w w

12

14

32

34 )

( q q) x

w

w

w

w

'

1 3

21

25

43

D

4

⋅ +

⋅

20 w − w + w + w

+ w + w − w + w =

23

(8 22 24 33) 2( 32 34)

( ,025 2 ,96) ,125

23

43

325520

19 w − 8 w − 8 w − 8 w + 2 w + 2 w + w

−5

= 7 5

, 75 ⋅10 m

23

22

24

33

32

34

43

o Węzeł 24

4

0 ⋅ ∆

20 w − 8

+

+

+

+ 2

+

+

+

+

+

+

+

=

24

( w w w w

14

23

25

34 )

( w w w w

13

15

33

35 )

x

w

w

w

w

'

1 4

22

25'

44

D

20 w − w + w

+ w − w + w − w + w =

24

(8 23 34) 2

0

33

24

22

24

44

18 w − 8 w − 8 w + 2 w + w + w = 0

24

23

34

33

22

44

o Węzeł 32

~

4

5

,

0

+ ⋅∆

20 w − 8

+

+

+

+ 2

+

+

+

+

+

+

+

=

32

( w w w w

22

31

33

42 )

( w w w w

21

23

41

43 )

( q q) x

w

w

w

w

12

3 '

1

34

52

D

( 5,

0 ⋅ 2 + ,

9 6)⋅ ,

1 254

20 w − 8 w − 8 w − 8 w + 2 w + 2 w − w + w =

32

22

33

42

23

43

32

34

325520

19 w − 8 w − 8 w − 8 w + 2 w + 2 w + w 5

= 7 9

, 50 10−

⋅

m

32

22

33

42

23

43

34

o Węzeł 33

4

5

,

0

⋅ ∆

20 w − 8

+

+

+

+ 2

+

+

+

+

+

+

+

=

33

( w w w w

23

32

34

43 )

( w w w w

22

24

42

44 )

q

x

w

w

w

w

13

31

35

53

D

5

,

0 ⋅ 2 ⋅ ,

1 254

20 w − 8 w − 8 w − 8 w − 8 w + 2 w + 2 w + 2 w + 2 w =

33

23

32

34

43

22

24

42

44

325520

20 w − 8 w − 8 w − 8 w − 8 w + 2 w + 2 w + 2 w + 2 w

−5

= ,

0 750 ⋅10 m

33

23

32

34

43

22

24

42

44

o Węzeł 34

4

0 ⋅ ∆

20 w − 8

+

+

+

+ 2

+

+

+

+

+

+

+

=

34

( w w w w

24

33

35

44 )

( w w w w

23

25

43

45 )

x

w

w

w

w

14

32

35'

54

D

20 w − w + w + w

+ w + w + w − w =

34

(8 24

33

44 )

2( 23

43 )

0

32

34

19 w − 8 w − 8 w − 8 w + 2 w + 2 w + w = 0

34

24

33

44

23

43

32

o Węzeł 42

4

5

,

0

⋅ ∆

20 w − 8

+

+

+

+ 2

+

+

+

+

+

+

+

=

42

( w w w w

32

41

43

52 )

( w w w w

31

33

51

53 )

q

x

w

w

w

w

22

4 '

1

44

5'2

D

4

⋅ ⋅

20 w − w + w

+ w + w − w + w − w =

42

(8 32

43 )

5

,

0

2 ,

1 25

2 33

22

42

44

42

325520

18 w − 8 w − 8 w + 2 w + w + w

−5

= ,

0 750 ⋅10 m

42

32

43

33

22

44

o Węzeł 43

4

5

,

0

⋅ ∆

20 w − 8

+

+

+

+ 2

+

+

+

+

+

+

+

=

43

( w w w w

33

42

44

53 )

( w w w w

32

34

52

54 )

q

x

w

w

w

w

23

41

45

5'3

D

4

⋅ ⋅

20 w − w + w + w

+ w + w + w − w =

43

(8 33 42 44) 2( 32 34)

5

,

0

2 ,

1 25

23

43

325520

19 w − 8 w − 8 w − 8 w + 2 w + 2 w + w 5

= ,

0 750 10−

⋅

m

43

33

42

44

32

34

23

o Węzeł 44

~

4

⋅∆

20 w − 8

+

+

+

+ 2

+

+

+

+

+

+

+

=

44

( w w w w

34

43

45

54 )

( w w w w

33

35

53

55 )

q

x

w

w

w

w

24

42

45'

5'4

D

4

⋅

20 w − w + w

+ w + w + w − w − w =

44

(8 34

43 )

,

9 6 ,

1 25

2 33

24

42

44

44

325520

18 w − 8 w − 8 w + 2 w + 2 w + w + w

−5

= 7,200 ⋅10 m

44

34

43

33

35

24

42

Układ równań algebraicznych

18 w − 8 w + w − 8 w + 2 w + w

−5

= 3

,

0 75 ⋅10 m

22

23

24

32

33

42

2 w − 8 w + w − 8 w + 19 w + 2 w − 8 w

−5

= 7 5

, 75 ⋅10 m

23

24

32

33

34

43

44

w − 8 w + 18 w + 2 w − 8 w + w = 0

22

23

24

33

34

44

− 8 w + 2 w +19 w − 8 w + w − 8 w + 2 w

−5

= 9

,

7 50 ⋅10 m

22

23

32

33

34

42

43

2 w − 8 w + 2 w − 8 w + 20 w − 8 w + 2 w − 8 w + 2 w

−5

= ,

0 750 ⋅10 m

22

23

24

32

33

34

42

43

44

2 w

− 8 w + w − 8 w + 19 w + 2 w − 8 w = 0

23

24

32

33

34

43

44

w − 8 w + 2 w + 18 w − 8 w + w

−5

= ,

0 750 ⋅10 m

22

32

33

42

43

44

w + 2 w − 8 w + 2 w − 8 w + 19 w − 8 w

−5

= 7

,

0 50 ⋅10 m

23

32

33

34

42

43

44

w + 2 w − 8 w + w − 8 w + 18 w

−5

= 7,200 ⋅10 m

24

33

34

42

43

44

Postać macierzowa:

18 − 8

1

− 8 2

0

1

0

0   w 



− 

⋅

22

3

,

0 75 10 5



 







− 8 19 − 8 2 − 8 2

0

1

0

w

−



 



⋅

23

7 5

, 75 10 5





 1

− 8 18

0

2

− 8 0

0

1   w 





24

0



 







− 8 2

0

19

− 8 1 − 8 2

0

w

−



 



⋅

32

7

 9

, 50 10 5 









 2 − 8 2 − 8 20 − 8 2 − 8 2  ⋅  w  = 

⋅ − 

33

7

,

0 50 10 5 , [ m]



 







 0

2

− 8 1 − 8 19

0

2

− 8 w 34

0













1

0

0

− 8 2

0

18

− 8 1

 w  

⋅ − 

42

7

,

0 50 10 5



 







 0

1

0

2

− 8 2 − 8 19 − 8 w

−





⋅

43

7

,

0 50 10 5









 0

0

1

0

2

− 8 1 − 8 18 

  w 



− 



⋅

44

 ,

7 200 10 5 

Rozwiązanie układu równań (z programu lineq):

 w 

1

 ,6258

22









w

3

,

2 045

 23 





 w   3

,

1 670 

24









w

3

,

2 751

 32 













 w

5

 =  8

,

2 488 10−

⋅

m

33









w

8

,

1 929

34









 w   ,

1 4818

42









w

9

,

1 869

 43 





 w  



 6

,

1 496 



44

Momenty zginające

Na kierunku x

2

 ∂ w

2

∂ w 

D

M = − D ⋅ 

+ν

 ≅ −

⋅ w

− 2 w + w

+ ,

0 2 w

− ,

0 4 w

+ ,

0 2 w

x

2

2

2

( k, j 1−

k , j

k , j 1

+

k − ,

1 j

k , j

k + ,

1 j )

 x

∂

y

∂ 

( x

∆ )

D

M = −

⋅ w

− ,

2 4 w

+ w

+ ,

0 2 w

+ ,

0 2 w

x

2

( k, j 1−

k , j

k , j 1

+

k − ,

1 j

k + ,

1 j )

( x

∆ )

325520

M

= −

⋅

− ,

2 4

+

+ ,

0 2

+ ,

0 2

= ,

4 646

x 32

(

2

31

32

33

22

42

,

1 25)

( w

w

w

w

w )

kNm

325520

M

= −

⋅

− ,

2 4

+

+ ,

0 2

+ ,

0 2

= 5

,

3 64

x 33

(

2

32

33

34

23

43

,

1 25)

( w

w

w

w

w )

kNm

325520

M

= −

⋅

− ,

2 4

+

+ ,

0 2

+ ,

0 2

= ,

2 273

x 34

(

2

33

34

35

24

44

,

1 25)

( w

w

w

w

w )

kNm

o Wykres momentu w przekroju X 3-3

3

3

Mx [kNm]

2,273

3,564

4,646

Na kierunku y

2

2





∂ w

∂ w

D

M

D

ν

w

w

w

w

w

w

y = −

⋅

+

 ≅ −

⋅ k j − 2 k j + k j + , 0 2 k j − ,

0 4 k j + ,

0 2

2

2

2

( − ,1

,

+ ,

1

,

1

−

,

k , j 1

+ )

 ∂ y

∂ x 

(∆ x)

D

M

w

w

w

w

w

y = −

⋅ k j − ,

2 4 k j + k j + ,

0 2 k j + ,

0 2

2

( − ,1

,

+ ,

1

,

1

−

k , j 1

+ )

(∆ x)

325520

M

= −

⋅

− ,

2 4

+

+ ,

0 2

+ ,

0 2

= 3

,

4 41

y 23

(

2

13

23

33

22

24

,

1 25)

( w

w

w

w

w )

kNm

325520

M

= −

⋅

− ,

2 4

+

+ ,

0 2

+ ,

0 2

= 5

,

3 25

y 33

(

2

23

33

43

32

34

,

1 25)

( w

w

w

w

w )

kNm

325520

M

= −

⋅

− ,

2 4

+

+ ,

0 2

+ ,

0 2

= ,

2 695

y 43

(

2

33

43

53

42

44

,

1 25)

( w

w

w

w

w )

kNm

3

o Wykres momentu w przekroju Y 3-3

3

My [kNm]

2,695

3,525

4,341

2. Wnioski.

W ćwiczeniu projektowym przedstawiono obliczenie płyty swobodnie podparta na obwodzie. Wykresy ukazują w przybliżeniu prawidłowy przebieg momentów zginających, jednak należy pamiętać, że metoda różnic skończonych nie oddaje poprawnych wyników przy tak dużej dyskretyzacji. Aby uzyskać prawidłowe wartości i dokładny przebieg wykresów sił wewnętrznych należy zagęścić siatkę dyskretyzacji.

Mimo to pozostaną błędy zaokrągleń, które przy łatwych schematach nie mają większego wpływu na obliczone wyniki.