Kratownica trzykrotnie statycznie niewyznaczalna

background image

Przykład 5.2. Kratownica trzykrotnie statycznie niewyznaczalna


Polecenie: korzystając z metody sił wyznaczyć siły w prętach poniższej kratownicy. Przyjąć
sztywność ściskania dla słupków i krzyżulców równą EA, a dla prętów pasa dolnego i
górnego 2EA.














Rozwiązanie

zadania

rozpoczynamy

od

obliczenia

stopnia

statycznej

niewyznaczalności układu. W przypadku płaskiej kratownicy z węzłami przegubowymi

n = r + p − 2 · w

gdzie:

r

- liczba składowych reakcji podpór

p - liczba prętów kratownicy

w

- liczba węzłów kratownicy.

W rozpatrywanym układzie stopień statycznej niewyznaczalności wynosi

n = 4 + 27 − 2 · 14 = 3

Pomimo iż rozważana kratownica jest statycznie niewyznaczalna, to siły w czterech

słupkach można wyznaczyć z równań równowagi.
















Uwzględniając ponadto jednakową sztywność ściskania dla prętów pasa dolnego i

górnego oraz równości:

2

1

G

G

=

,

5

4

G

G

=

,

3

2

D

D

=

,

5

4

D

D

=

możemy rozwiązać

przedstawiona poniżej kratownicę o mniejszej ilości prętów.

P

3P

2l

2l

l

l

l

l

l

l

D

3

= D

2

D

2

P

3P

3P

G

2

= G

1

G

1

G

5

= G

4

G

4

S=3P

3P

D

5

= D

4

D

4

background image

2















Układ jest trzykrotnie statycznie niewyznaczalny. Tworzymy układ podstawowy

statycznie wyznaczalny przez usunięcie trzech nadliczbowych więzów. Musi to być układ
geometrycznie niezmienny. Istnieje wiele takich schematów. Poniżej podano dwa przykłady.























Rozpatrywana kratownica jest układem zewnętrznie statycznie niewyznaczalnym.

Można, więc przyjąć jako jedną z trzech nadliczbowych reakcję podporową o kierunku
pionowym. Po usunięciu nadliczbowych więzów należy sprawdzić, czy otrzymany układ jest
geometrycznie niezmienny. Układ geometrycznie zmienny nie może być układem
podstawowym. Jako układ podstawowy przyjmiemy drugi spośród powyższych,
geometrycznie niezmiennych układów.

Poniżej pokazany jest układ geometrycznie zmienny otrzymany po usunięciu trzech

więzów w rozpatrywanej, trzykrotnie statycznie niewyznaczalnej kratownicy.

P

3P

2l

2l

l

l

l

l

l

l

Układy

geometrycznie

niezmienne

1

X

2

X

3

X

1

X

2

X

3

X

background image

3













Siły w prętach nie zależą od przyjętego układu podstawowego. Wybór tego układu jest

jednak istotny, ponieważ od niego zależy, czy rozwiązanie zadania będzie mniej lub bardziej
pracochłonne. Poniższy rysunek przedstawia przyjęty do obliczeń układ podstawowy. W tak
przyjętym układzie podstawowym siły w prętach wyznaczone w stanie

1

1

=

X

możemy

wykorzystać również w stanie

1

2

=

X

ze względu na symetryczną budowę układu

podstawowego (składowa pozioma reakcji na podporze nieprzesuwnej jest równa zero w
stanach

1

,

1

,

1

3

2

1

=

=

=

X

X

X

).













Pzed przystąpieniem do obliczeń ponumerujemy pręty i węzły.













Wyznaczamy siły w prętach wywołane przez jednostkowe siły nadliczbowe i

obciążenie zewnętrzne w układzie podstawowym.

1

X

2

X

3

X

Układ

geometrycznie

zmienny

1

X

2

X

3

X

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

Oznaczenie prętów

Oznaczenie węzłów

W

6

W

5

W

1

W

4

W

3

W

2

W

7

A

B

C

background image

4

Stan X

1

= 1













W rozpatrywanym stanie obciążeniem są dwie jednostkowe siły o przeciwnych

zwrotach, mające wspólną linię działania (układ sił równoważących się). Otrzymamy, więc
wszystkie składowe reakcji podporowych zerowe. Siły S

1

, S

5

, S

11

, S

14

, S

15

, S

16

, S

17

, S

18

, S

19

równe zero. W celu wyznaczenia pozostałych sił w prętach kratownicy należy zapisać
równania równowagi dla węzłów W

1

, W

2

, W

3

, W

4

, W

6

oraz B.

















13

5

0

5

2

13

2

1

0

4

4

2

=

=

=

S

S

P

i

W

iy

13

4

0

1

13

3

5

1

0

3

4

3

2

=

=

+

+

=

S

S

S

P

i

W

ix

13

5

0

5

2

5

2

0

6

6

4

6

=

=

+

=

S

S

S

P

i

W

iy

13

2

0

5

1

5

1

0

7

6

4

7

6

=

=

+

=

S

S

S

S

P

i

W

ix

Dla węzła B otrzymamy układ dwóch równań z dwiema niewiadomymi.

1

1

1

1

H

A

= 0

V

A

= 0

R

C

= 0

2l

2l

l

l

l

l

l

l

1

W

2

S

4

S

3

W

6

S

7

S

6

S

4

B

S

13

S

10

S

7

W

4

S

12

S

13

S

9

S

8

W

3

S

6

S

3

S

10

S

9

1

W

1

S

12

S

8

background image

5

13

5

13

5

0

5

2

5

2

0

0

5

1

5

1

0

13

10

10

13

7

10

13

=

=




=

+

=

=

=

S

S

S

S

P

S

S

S

P

i

B

iy

i

B

ix

13

5

0

5

2

5

2

0

12

13

12

4

=

=

=

S

S

S

P

i

W

iy

13

2

0

5

1

5

1

0

9

9

13

12

4

=

=

=

S

S

S

S

P

i

W

ix

13

5

2

0

13

3

1

5

1

5

1

0

8

8

12

1

=

=

=

S

S

S

P

i

W

ix

Pozostałe równania dla węzła W

1

i W

3

spełnione są tożsamościowo.


















Stan X

2

= 1















)

(

1

i

N

i = 1, 2, …, 19

1

1

1

1

H

A

= 0

V

A

= 0

R

C

= 0

13

5

2

13

5

13

5

13

5

13

5

13

5

13

2

13

2

13

4

1

1

1

1

H

A

= 0

V

A

= 0

R

C

= 0

2l

2l

l

l

l

l

l

l

background image

6

Możemy wykorzystać symetryczną budowę układu podstawowego. Rozkład sił w

prętach w stanie

1

2

=

X

jest „lustrzanym odbiciem” rozkładu sił w stanie

1

1

=

X

.
















Stan X

3

= 1














Skoro składowa pozioma reakcji na podporze A jest równa zero, to rozkład sił w

prętach w stanie

1

3

=

X

ma charakter symetryczny. Możemy obliczyć siły dla prętów tylko

jednej połowy układu. Pozostałe siły wyznaczymy korzystając z symetrii.
Wyznaczamy reakcje podporowe:

0

0

=

=

A

i

ix

H

P

2

1

0

3

1

6

:

0

=

=

+

=

C

C

i

iA

R

l

l

R

M

2

1

0

1

0

=

=

=

A

A

C

i

iy

V

V

R

P


Siły S

2

, S

5

, S

8

, S

11

, S

12

, S

18

są równe zero. Pozostałe siły w prętach kratownicy możemy

wyznaczyć z równań równowagi dla węzłów.

)

(

2

i

N

i=1, 2, …, 19

1

1

1

1

H

A

= 0

V

A

= 0

R

C

= 0

13

5

2

13

5

13

5

13

5

13

5

13

5

13

2

13

2

13

4

1

2l

2l

l

l

l

l

l

l

2

1

=

A

V

2

1

=

C

R

0

=

A

H

background image

7












2

1

0

0

1

1

=

=

+

=

S

S

V

P

A

i

A

iy

4

5

0

5

2

0

4

4

1

2

=

=

=

S

S

S

P

i

W

iy

4

1

0

5

1

0

3

4

3

2

=

=

+

=

S

S

S

P

i

W

ix

4

5

0

5

2

5

2

0

6

6

4

6

=

=

+

=

S

S

S

P

i

W

iy

2

1

0

5

1

5

1

0

7

7

4

6

6

=

=

+

=

S

S

S

S

P

i

W

ix

4

5

0

5

2

5

2

0

10

10

6

3

=

=

=

S

S

S

P

i

W

iy

4

3

0

5

1

5

1

0

9

3

10

6

9

3

=

=

+

=

S

S

S

S

S

P

i

W

ix
















A

H

A

V

A

S

1

W

2

S

1

S

3

S

4

W

3

S

3

S

10

S

6

S

9

W

6

S

4

S

6

S

7

1

)

(

3

i

N

i = 1, 2, …, 19

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

4

1

4

1

4

3

4

5

4

5

4

5

4

5

4

5

4

5

0

background image

8

Stan zerowy (obciążenie zewnętrzne)















Wyznaczamy reakcje podporowe:

P

H

P

H

P

A

A

i

ix

=

=

+

=

0

0

P

R

l

P

l

P

l

R

M

C

C

i

iA

3

8

0

4

3

4

6

:

0

=

=

=

P

V

P

R

V

P

A

C

A

i

iy

3

1

0

3

0

=

=

+

=


















Siły S

2

, S

11

i S

18

są równe zero. W celu wyznaczenia pozostałych sił w prętach

kratownicy należy zapisać równania równowagi dla węzłów kratownicy.

P

S

S

P

P

i

A

ix

=

=

+

=

5

5

0

0

P

3P

2l

2l

l

l

l

l

l

l

P

V

A

3

1

=

P

R

C

3

8

=

P

H

A

=

S

8

W

3

S

6

S

3

S

10

S

9

W

2

S

4

S

3

S

1

A

P

S

5

S

1

W

6

S

7

S

6

S

4

S

5

B

S

13

S

10

S

7

S

14

W

4

S

13

S

9

S

16

S

12

S

15

3P

P

W

1

S

12

S

8

S

4

S

3

S

19

W

5

W

7

S

17

S

16

S

14

C

S

19

P

3

1

P

3

8

background image

9

P

S

S

P

P

i

A

iy

3

1

0

3

1

0

1

1

=

=

+

=

P

S

S

S

P

i

W

iy

6

5

0

5

2

0

4

4

1

2

=

=

=

P

S

S

S

P

i

W

ix

6

1

0

5

1

0

3

4

3

2

=

=

+

=

P

S

S

S

P

i

W

iy

6

5

0

5

2

5

2

0

6

6

4

6

=

=

+

=

P

S

S

S

S

S

P

i

W

ix

3

4

0

5

1

5

1

0

7

5

7

4

6

6

=

=

+

=

Dla węzła W

1

rozwiążemy układ dwu równań z dwiema niewiadomymi.

P

S

,

P

S

S

S

P

P

S

S

P

i

W

iy

i

W

ix

2

5

2

5

0

5

2

5

2

0

0

5

1

5

1

0

12

8

8

12

8

12

1

1

=

=




=

=

=

+

=

P

S

S

S

S

P

i

W

iy

3

5

2

0

5

2

5

2

5

2

0

10

10

6

8

3

=

=

=

P

S

S

S

S

S

S

P

i

W

ix

2

3

0

5

1

5

1

5

1

0

9

3

9

6

10

8

3

=

=

+

+

=

P

S

S

S

P

i

B

iy

3

5

2

0

5

2

5

2

0

13

13

10

=

=

+

=

P

S

S

S

S

S

P

i

B

ix

3

8

0

5

1

5

1

0

14

7

14

10

13

=

=

+

=

P

S

P

S

S

S

P

i

W

iy

3

5

4

0

3

5

2

5

2

5

2

0

16

16

13

12

4

=

=

=

P

S

S

S

S

S

S

P

i

W

ix

3

4

0

5

1

5

1

5

1

0

15

15

9

13

12

16

4

=

=

+

=

P

S

S

S

P

i

W

iy

3

5

4

0

5

2

5

2

0

17

17

16

7

=

=

+

=

0

0

5

1

5

1

0

18

14

18

16

17

7

=

=

+

=

S

S

S

S

S

P

i

W

ix

background image

10

P

S

S

S

P

i

W

iy

3

8

0

5

2

0

19

19

17

5

=

=

=

Pozostałe równania równowagi dla węzła W

5

i C spełnione są tożsamościowo.



















Sztywność ściskania oraz siła podłużna na całej długości każdego pręta mają stałą

wartość. Uwzględniając to otrzymujemy

∑∫

=

=

=

=

p

i

i

i

i

i

k

i

j

p

i

l

i

i

i

k

i

j

jk

A

E

l

N

N

s

A

E

N

N

i

1

)

(

)

(

1 0

)

(

)

(

d

δ

∑∫

=

=

=

=

p

i

i

i

i

i

i

j

p

i

l

i

i

i

i

j

j

A

E

l

N

N

s

A

E

N

N

i

1

)

(

0

)

(

1 0

)

(

0

)

(

0

d

δ

Wyznaczenie współczynników przy nadliczbowych i wyrazów wolnych układu

równań metody sił przeprowadzimy w tabeli.

Ze względu na symetryczną budowę układu podstawowego i taki dobór

nadliczbowych, że rozkład sił podłużnych w stanie

1

2

=

X

jest „lustrzanym odbiciem”

rozkładu sił w stanie

1

1

=

X

, a rozkład sił podłużnych w stanie

1

3

=

X

ma charakter

symetryczny otrzymamy

=

=

=

=

=

p

i

i

i

i

i

i

p

i

i

i

i

i

i

A

E

l

N

N

A

E

l

N

N

1

)

(

3

)

(

2

23

1

)

(

3

)

(

1

13

δ

δ

oraz

=

=

=

=

=

p

i

i

i

i

i

i

p

i

i

i

i

i

i

A

E

l

N

N

A

E

l

N

N

1

)

(

2

)

(

2

22

1

)

(

1

)

(

1

11

δ

δ





1

)

(

0

i

N

i = 1, 2, …, 19

mnożnik

P

2

1

3

8

3

1

3

8

3

4

3

8

3

4

6

1

2

3

6

5

6

5

3

5

2

3

5

2

3

5

4

3

5

4

1

3

2

5

2

5

1

background image

11

i

i

i

i

A

E

l

)

(

1

i

N

)

(

2

i

N

)

(

3

i

N

)

(

0

i

N

i

i

i

i

i

A

E

l

N

N

)

(

1

)

(

1

i

i

i

i

i

A

E

l

N

N

)

(

3

)

(

3

1.

2

0

0

2

1

3

1

0

2

1

2.

13

1

0

0

0

13

0

3.

1

13

4

0

4

1

6

1

13

16

16

1

4.

5

13

5

0

4

5

6

5

13

5

5

16

5

5

5.

2

1

0

0

0

1

0

0

6.

5

13

5

0

4

5

6

5

13

5

5

16

5

5

7.

1

13

2

0

2

1

3

4

13

4

4

1

8.

5

13

5

2

13

5

0

2

5

13

5

20

0

9.

1

13

2

13

2

4

3

2

3

13

4

16

9

10.

5

13

5

13

5

4

5

3

5

2

13

5

5

16

5

5

11.

13

0

1

0

0

0

0

12.

5

13

5

13

5

2

0

2

5

13

5

5

0

13.

5

13

5

13

5

4

5

3

5

2

13

5

5

16

5

5

14.

1

0

13

2

2

1

3

8

0

4

1

15.

1

0

13

4

4

1

3

4

0

16

1

16.

5

0

13

5

4

5

3

5

4

0

16

5

5

17.

5

0

13

5

4

5

3

5

4

0

16

5

5

18.

2

1

0

0

0

0

0

0

19.

2

0

0

2

1

3

8

0

2

1


background image

12

i

i

i

i

i

i

A

E

l

N

N

)

(

2

)

(

1

i

i

i

i

i

A

E

l

N

N

)

(

3

)

(

1

i

i

i

i

i

A

E

l

N

N

)

(

0

)

(

1

i

i

i

i

i

A

E

l

N

N

)

(

0

)

(

2

i

i

i

i

i

A

E

l

N

N

)

(

0

)

(

3

1.

0

0

0

0

3

1

2.

0

0

0

0

0

3.

0

13

1

13

3

2

0

24

1

4.

0

13

4

5

5

13

6

5

5

0

24

5

5

5.

0

0

0

0

0

6.

0

13

4

5

5

13

6

5

5

0

24

5

5

7.

0

13

1

13

3

8

0

3

2

8.

13

5

10

0

13

5

5

13

2

5

5

0

9.

13

4

13

2

3

13

3

13

3

8

9

10.

13

5

5

13

4

5

5

13

3

5

10

13

3

5

10

6

5

5

11.

0

0

0

0

0

12.

13

5

10

0

13

2

5

5

13

5

5

0

13.

13

5

5

13

4

5

5

13

3

5

10

13

3

5

10

6

5

5

14.

0

0

0

13

3

16

3

4

15.

0

0

0

13

3

16

3

1

16.

0

0

0

13

3

5

20

3

5

5

17.

0

0

0

13

3

5

20

3

5

5

18.

0

0

0

0

0

19.

0

0

0

0

3

8

background image

13

EA

l

A

E

l

N

N

p

i

i

i

i

i

i

19194

,

13

1

)

(

1

)

(

1

22

11

=

=

=

=

δ

δ

EA

l

A

E

l

N

N

p

i

i

i

i

i

i

38013

,

6

1

)

(

3

)

(

3

33

=

=

=

δ

EA

l

A

E

l

N

N

p

i

i

i

i

i

i

85246

,

4

1

)

(

2

)

(

1

21

12

=

=

=

=

δ

δ

EA

l

A

E

l

N

N

p

i

i

i

i

i

i

52116

,

2

1

)

(

3

)

(

1

32

23

31

13

=

=

=

=

=

=

δ

δ

δ

δ

EA

l

A

E

l

N

N

p

i

i

i

i

i

i

99562

,

5

1

)

(

0

)

(

1

10

=

=

=

δ

EA

l

A

E

l

N

N

p

i

i

i

i

i

i

84523

,

20

1

)

(

0

)

(

2

20

=

=

=

δ

EA

l

A

E

l

N

N

p

i

i

i

i

i

i

88525

,

14

1

)

(

0

)

(

3

30

=

=

=

δ


Układ równań metody sił ma postać

0

99562

5

52116

2

85246

4

19194

13

3

2

1

=

EA

Pl

,

X

EA

l

,

X

EA

l

,

X

EA

l

,

0

84523

20

52116

2

19194

13

85246

4

3

2

1

=

+

EA

Pl

,

X

EA

l

,

X

EA

l

,

X

EA

l

,

0

88525

14

38013

6

52116

2

52116

2

3

2

1

=

+

EA

Pl

,

X

EA

l

,

X

EA

l

,

X

EA

l

,

Rozwiązanie powyższego układu równań jest następujące

P

,

X

P

,

X

P

,

X

14096

2

98682

0

50067

0

3

2

1

=

=

=

.

Po rozwiązaniu układu równań metody sił możemy wyznaczyć siły w prętach

)

(

0

3

)

(

3

2

)

(

2

1

)

(

1

)

(

i

i

i

i

i

N

X

N

X

N

X

N

N

+

+

+

=

Wartości sił w prętach kratownicy statycznie niewyznaczalnej obliczamy w ostatniej
kolumnie tabeli.





background image

14

i

+

1

)

(

1

X

N

i

+

2

)

(

2

X

N

i

+

3

)

(

3

X

N

i

=

)

(

0

i

N

[ ]

P

N

i )

(

1.

0

·0,50067+

0


· (-0,98682)+

2

1


·2,14096+

3

1

=

0,73715

2.

1

·0,50067+

0


· (-0,98682)+

0


·2,14096+

0 =

0,50067

3.

13

4

·0,50067+

0

· (-0,98682)+

4

1

·2,14096+

6

1

=

−0,18687

4.

13

5

·0,50067+

0


· (-0,98682)+

4

5


·2,14096+

6

5

=

−0,51365

5.

0

·0,50067+

0


· (-0,98682)+

0


·2,14096+

1 =

1,00000

6.

13

5

·0,50067+

0


· (-0,98682)+

4

5


·2,14096+

6

5

=

0,51365

7.

13

2

·0,50067+

0


· (-0,98682)+

2

1


·2,14096+

3

4

=

0,54058

8.

13

5

2

·0,50067+

13

5


· (-0,98682)+

0


·2,14096+

2

5

=

−0,11125

9.

13

2

·0,50067+

13

2


· (-0,98682)+

4

3


·2,14096+

2

3

=

0,37206

10.

13

5

·0,50067+

13

5


· (-0,98682)+

4

5


·2,14096+

3

5

2

=

−0,62490

11.

0

·0,50067+

1


· (-0,98682)+

0


·2,14096+

0 =

−0,98082

12.

13

5

·0,50067+

13

5

2


· (-0,98682)+

0


·2,14096+

2

5

=

0,40903

13.

13

5

·0,50067+

13

5


· (-0,98682)+

4

5


·2,14096+

3

5

2

=

−1,76876

14.

0

·0,50067+

13

2


· (-0,98682)+

2

1


·2,14096+

3

8

=

1,05213

15.

0

·0,50067+

13

4


· (-0,98682)+

4

1


·2,14096+

3

4

=

0,29003

16.

0

·0,50067+

13

5


· (-0,98682)+

4

5


·2,14096+

3

5

4

=

−1,17631

17.

0

·0,50067+

13

5


· (-0,98682)+

4

5


·2,14096+

=

3

5

4

1,17631

18.

0

·0,50067+

0


· (-0,98682)+

0


·2,14096+

0 =

0,00000

19.

0

·0,50067+

0


· (-0,98682)+

2

1


·2,14096+

=

3

8

−1,59619

background image

15

Otrzymane wyniki przedstawia poniższy rysunek, na którym grubości „prętów” są

proporcjonalne do wyznaczonych wartości sił (w przyjętej skali).





































Ze względu na symetryczną budowę rozpatrywanej kratownicy powyższe zadanie

można rozwiązać stosując grupowe nadliczbowe. Układ trzech równań z trzema
niewiadomymi rozprzęga się wtedy na układ dwóch równań z dwiema niewiadomymi oraz
jedno równanie z jedną niewiadomą.

P

3P

H

A

= P

V

A

= 0,73715P

R

B

= 2,14096P

R

C

= 1,59619P

3P

0P

Pręty ściskane

Pręty rozciągane

Obciążenie zewnętrzne
i reakcje podporowe

Skala


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Kratownica trzykrotnie statycznie niewyznaczalna
Metoda sił ćwiczenie nr 2 kratownica statycznie niewyznaczalna
cwicz mechanika budowli obliczanie ukladow statycznie niewyznaczalnych metoda sil krata
5 Analiza naprężeń i odkształceń w?lce statycznie niewyznaczalnej
Obciążenie termiczne w układzie statycznie niewyznaczalnym
Obliczanie układów statycznie niewyznaczalnych metoda sił z wykorzystaniem symetrii i antysymetrii

więcej podobnych podstron