background image

A. Maryniak, P. Szewczyk, Macierzowa Metoda Przemieszczeń - Przykład 

 
 
 

.......................................................................................................... 

imię i nazwisko studenta 

 

 

METODY OBLICZENIOWE – LAB. 

 ZADANIE 1 

 
 

Wykonać obliczenia statyczne ramy za pomocą macierzowej metody przemieszczeń. 

Wyznaczyć siły wewnętrzne w prętach oraz naszkicować postać deformacji. 

Obliczenia zweryfikować w programie Robot. 

 

Schemat statyczny: 

 

 

 
 
 

 
Opracowanie powinno zawierać: 
1.  Schemat  konstrukcji  z  numeracją  prętów  i  węzłów,  lokalnymi  układami  współrzędnych, 

układem globalnym, stopniami swobody konstrukcji oraz zestawienie danych o konstrukcji. 

2.  Wydruk obliczeń konstrukcji macierzową metodą przemieszczeń. 
3.  Objaśnienie zastosowanych oznaczeń, dodatkowe obliczenia oraz komentarze niezbędne do 

prześledzenia toku obliczeń. 

4.  Rezultaty analizy: ręcznie wykonane wykresy sił wewnętrznych i zdeformowanej postaci 

ramy. 

5.  Wydruki  z  programu  Robot  (schemat  analizowanej  konstrukcji,  wykresy  oraz  tabele 

z wartościami przemieszczeń i sił wewnętrznych). 

 

P

1

=10kN

200

300

300

250

250

P

2

=20kN

P

3

=15kN

IPE400

q=25kN/m

IPE400

IPE240

IPE400

background image

A. Maryniak, P. Szewczyk, Macierzowa Metoda Przemieszczeń - Przykład 

 

 

 

1. Dyskretyzacja 

2. Układy współrzędnych 

2.1. Układ globalny 

2.2. Układy lokalne

 

3. Stopnie swobody konstrukcji 

4. Macierze cosinusów kierunkowych 

5. Macierz alokacji 

6. Macierz obciążeń 

6.1. Macierz obciążeń węzłowych 

6.2. Macierze obciążeń przęsłowych prętów w układzie lokalnym i globalnym 

6.3. Agregowana macierz obciążeń przęsłowych 

6.4. Macierz obciążeń przęsłowych 

6.5. Ostateczna macierz obciążeń 

7. Macierz sztywności 

7.1. Macierze sztywności pojedynczych prętów w układzie lokalnym 

7.2. Macierze sztywności pojedynczych prętów w układzie globalnym 

7.3. Agregowana macierz sztywności 

7.4. Ostateczna macierz sztywności 

8. Nałożenie warunków brzegowych 

9. Układ równań MMP 

9.1. Macierz przemieszczeń konstrukcji 

9.2. Agregowana macierz przemieszczeń 

9.3. Macierze przemieszczeń prętów w układzie globalnym i lokalnym 

10. Macierze sił 

11. Wykresy 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

A. Maryniak, P. Szewczyk, Macierzowa Metoda Przemieszczeń - Przykład 

1. Dyskretyzacja 

 

 

 

2. Układy współrzędnych 

2.1. Układ globalny  

2.2. Układy lokalne 

 

 

 

 

1

3

4

5

1

2

3

4

2

1

2

3

4

5

1

2

3

4

x

2

y

2

x

1

y

1

x

3

y

3

x

4

y

4

Y

X

background image

A. Maryniak, P. Szewczyk, Macierzowa Metoda Przemieszczeń - Przykład 

3. Stopnie swobody konstrukcji 

 

 

4. Macierze cosinusów kierunkowych 

 

 

 

 

 

 

 

q

1

2

q

3

q

8

9

q

10

q

14

q

15

q

16

q

11

q

12

q

13

q

4

5

q

6

q

7

Y

X

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

0

0

0

0

0

cos

cos

0

0

0

0

cos

cos

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

cos

cos

0

0

0

0

cos

cos

yY

yX

xY

xX

yY

yX

xY

xX

i

1

2

1

x

1

y

1

Y

X

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

0

0

0

0

0

0

cos

270

cos

0

0

0

0

90

cos

0

cos

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

cos

270

cos

0

0

0

0

90

cos

0

cos

1

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

background image

A. Maryniak, P. Szewczyk, Macierzowa Metoda Przemieszczeń - Przykład 

 

 

 

 

 

 

 

Y

X

2

3

2

x

2

y

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

0

0

0

0

0

0

cos

270

cos

0

0

0

0

90

cos

0

cos

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

cos

270

cos

0

0

0

0

90

cos

0

cos

2

2

5

3

x

3

y

3

Y

X

Y

X

3

4

4

x

4

y

4

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

0

0

0

0

0

270

cos

180

cos

0

0

0

0

0

cos

270

cos

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

270

cos

180

cos

0

0

0

0

0

cos

270

cos

3

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

0

0

0

0

0

270

cos

180

cos

0

0

0

0

0

cos

270

cos

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

270

cos

180

cos

0

0

0

0

0

cos

270

cos

4

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

background image

A. Maryniak, P. Szewczyk, Macierzowa Metoda Przemieszczeń - Przykład 

5. Macierz alokacji 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

=

5

1

x

1

y

1

12

2

11

=

q

3

o

11

2

3

=

5

22

=

9

23

=

q

10

o

23

=

q

8

=

q

9

U

43

V

43

3

=

q

14

=

q

15

U

44

V

44

=

q

16

o

44

=

q

5

V

32

=

q

10

o

43

=

q

8

U

23

=

q

4

U

22

=

q

7

o

22

=

q

4

U

32

=

q

6

o

32

2

=

q

11

U

35

=

q

12

V

35

=

q

13

o

35

5

=

q

4

U

12

=

q

6

o

12

2

1

=

q

1

U

11

4

2

3

4

x

2

y

2

x

3

y

3

x

4

y

4

43

43

43

44

44

44

32

32

32

35

35

35

23

23

23

22

22

22

12

12

12

11

11

11

V

U

V

U

V

U

V

U

V

U

V

U

V

U

V

U

          

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

      

A   

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

background image

A. Maryniak, P. Szewczyk, Macierzowa Metoda Przemieszczeń - Przykład 

6. Macierz obciążeń 

6.1. Macierz obciążeń węzłowych 

 

 

 

6.2. Macierze obciążeń przęsłowych prętów w układzie lokalnym i globalnym 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

1

=10kN

P

2

=20kN

P

3

=15kN

q=25kN/m

q

1

2

q

3

q

8

9

q

10

q

14

q

15

q

16

q

11

q

12

q

13

q

4

5

q

6

q

7

Y

X

1

x

1

y

1

2

1

V

11

=0

V

12

=0

M

11

=0

M

12

=0

0

0

0

0

0

0

0

20

0

0

0

0

0

0

0

0

Q

w

1.  Przygotowanie globalnego wektora obciążeń Q 

 

Q = Q

Q

Q

W  

- globalny wektor obciążeń węzłowych

 

Q

- globalny wektor obciążeń prętowych sprowadzonych do węzła 

 

0

q

1

0

q

2

0

q

3

0

q

4

0

q

5

0

q

6

0

q

7

Q

w

=

0

q

8

-20

q

9

siła działa na kierunku stopnia swobody q

9

 ale w przeciwną stronę

0

q

10

0

q

11

0

q

12

0

q

13

0

q

14

0

q

15

0

q

16

 

0

0

0

0

0

0

Q

1

PL

0

0

0

0

0

0

Q

1

PG

1

1

1

Q

Q

PL

T

PG

p

w

Q

Q

Q

background image

A. Maryniak, P. Szewczyk, Macierzowa Metoda Przemieszczeń - Przykład 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

750

5

0

750

5

0

Q

2

PL

2

2

2

Q

Q

PL

T

PG

750

5

0

750

5

0

Q

2

PG

5

,

937

5

,

7

0

5

,

937

5

,

7

0

Q

3

PL

3

3

3

Q

Q

PL

T

PG

5

,

937

0

5

,

7

5

,

937

0

5

,

7

Q

3

PG

3

,

5208

5

,

62

0

3

,

5208

5

,

62

0

Q

4

PL

3

3

3

Q

Q

PL

T

PG

3

,

5208

0

5

,

62

3

,

5208

0

5

,

62

Q

4

PG

background image

A. Maryniak, P. Szewczyk, Macierzowa Metoda Przemieszczeń - Przykład 

6.3. Agregowana macierz obciążeń przęsłowych 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.4. Macierz obciążeń przęsłowych 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

3

2

1

Q

Q

Q

Q

Q

PG

PG

PG

PG

PAG

5208,3

-

0

62,5

-

5208,3

0

62,5

-

937,5

-

0

7,5

-

937,5

0

7,5

-

750

5

-

0

750

-

5

-

0

0

0

0

0

0

0

Q

PAG

PAG

T

P

A

Q

Q

5208,3

0

62,5

-

937,5

0

7,5

-

4458,3

-

5

-

62,5

-

750

-

937,5

-

5

-

7,5

-

0

0

0

Q

P

background image

A. Maryniak, P. Szewczyk, Macierzowa Metoda Przemieszczeń - Przykład 

6.5. Ostateczna macierz obciążeń 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Macierz sztywności 

 

7.1. Macierze sztywności pojedynczych prętów w układzie lokalnym 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2. Macierze sztywności pojedynczych prętów w układzie globalnym 

 

l

EJ

l

EJ

l

EJ

l

EJ

l

EJ

l

EJ

l

EJ

l

EJ

l

EA

l

EA

l

EJ

l

EJ

l

EJ

l

EJ

l

EJ

l

EJ

l

EJ

l

EJ

l

EA

l

EA

k

Li

4

6

0

2

6

0

6

12

0

6

12

0

0

0

0

0

2

6

0

4

6

0

6

12

0

6

12

0

0

0

0

0

2

2

2

3

2

3

2

2

2

3

2

3

i

Li

i

T

Gi

k

k

5208,3

0

62,5

-

937,5

0

7,5

-

4458,3

-

5

-

62,5

-

750

-

937,5

-

5

-

7,5

-

0

0

0

Q

P

0

0

0

0

0

0

0

20

0

0

0

0

0

0

0

0

Q

w

5208,3

0

62,5

-

937,5

0

7,5

-

4458,3

-

25

-

62,5

-

750

-

937,5

-

5

-

7,5

-

0

0

0

Q

P

w

Q

Q

Q

kL1

8661.25

0

0

8661.25

0

0

0

711.247

71124.75

0

711.247

71124.75

0

71124.75

9483300

0

71124.75

4741650

8661.25

0

0

8661.25

0

0

0

711.247

71124.75

0

711.247

71124.75

0

71124.75

4741650

0

71124.75

9483300

kL3

1603.1

0

0

1603.1

0

0

0

7.656

1913.88

0

7.656

1913.88

0

1913.88

637960

0

1913.88

318980

1603.1

0

0

1603.1

0

0

0

7.656

1913.88

0

7.656

1913.88

0

1913.88

318980

0

1913.88

637960

kL2

2887.083

0

0

2887.083

0

0

0

26.343

7902.75

0

26.343

7902.75

0

7902.75

3161100

0

7902.75

1580550

2887.083

0

0

2887.083

0

0

0

26.343

7902.75

0

26.343

7902.75

0

7902.75

1580550

0

7902.75

3161100

kL4

3464.5

0

0

3464.5

0

0

0

45.52

11379.96

0

45.52

11379.96

0

11379.96

3793320

0

11379.96

1896660

3464.5

0

0

3464.5

0

0

0

45.52

11379.96

0

45.52

11379.96

0

11379.96

1896660

0

11379.96

3793320

background image

A. Maryniak, P. Szewczyk, Macierzowa Metoda Przemieszczeń - Przykład 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.3. Agregowana macierz sztywności 

 

 

 

7.4. Ostateczna macierz sztywności 

 

 

 

4

3

2

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

G

G

G

G

AG

k

k

k

k

K

A

K

A

K

AG

T

K

8661.25

0

0

8661.25

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

711.247

71124.75

0

711.247

71124.75

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

71124.75

9483300

0

71124.75

4741650

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

8661.25

0

0

11555.989

0

1913.88

0

2887.083

0

0

7.656

0

1913.88

0

0

0

0

711.247

71124.75

0

2340.69

71124.75

7902.75

0

26.343

7902.75

0

1603.1

0

0

0

0

0

71124.75

4741650

1913.88

71124.75

10121260

0

0

0

0

1913.88

0

318980

0

0

0

0

0

0

0

7902.75

0

3161100

0

7902.75

1580550

0

0

0

0

0

0

0

0

0

2887.083

0

0

0

2932.603

0

11379.96

0

0

0

45.52

0

11379.96

0

0

0

0

26.343

0

7902.75

0

3490.843

7902.75

0

0

0

0

3464.5

0

0

0

0

0

7902.75

0

1580550

11379.96

7902.75

6954420

0

0

0

11379.96

0

1896660

0

0

0

7.656

0

1913.88

0

0

0

0

7.656

0

1913.88

0

0

0

0

0

0

0

1603.1

0

0

0

0

0

0

1603.1

0

0

0

0

0

0

0

1913.88

0

318980

0

0

0

0

1913.88

0

637960

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

45.52

0

11379.96

0

0

0

45.52

0

11379.96

0

0

0

0

0

0

0

0

3464.5

0

0

0

0

0

3464.5

0

0

0

0

0

0

0

0

11379.96

0

1896660

0

0

0

11379.96

0

3793320

 

kG1

8661.25

0

0

8661.25

0

0

0

711.247

71124.75

0

711.247

71124.75

0

71124.75

9483300

0

71124.75

4741650

8661.25

0

0

8661.25

0

0

0

711.247

71124.75

0

711.247

71124.75

0

71124.75

4741650

0

71124.75

9483300

kG2

2887.083

0

0

2887.083

0

0

0

26.343

7902.75

0

26.343

7902.75

0

7902.75

3161100

0

7902.75

1580550

2887.083

0

0

2887.083

0

0

0

26.343

7902.75

0

26.343

7902.75

0

7902.75

1580550

0

7902.75

3161100

kG3

7.656

0

1913.88

7.656

0

1913.88

0

1603.1

0

0

1603.1

0

1913.88

0

637960

1913.88

0

318980

7.656

0

1913.88

7.656

0

1913.88

0

1603.1

0

0

1603.1

0

1913.88

0

318980

1913.88

0

637960

kG4

45.52

0

11379.96

45.52

0

11379.96

0

3464.5

0

0

3464.5

0

11379.96

0

3793320

11379.96

0

1896660

45.52

0

11379.96

45.52

0

11379.96

0

3464.5

0

0

3464.5

0

11379.96

0

1896660

11379.96

0

3793320

background image

A. Maryniak, P. Szewczyk, Macierzowa Metoda Przemieszczeń - Przykład 

8. Nałożenie warunków brzegowych 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Układ równań MMP 

9.1. Macierz przemieszczeń konstrukcji 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.2. Agregowana macierz przemieszczeń  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

0

0

0

7.5

5

937.5

750

62.5

25

4458.3

0

0

937.5

0

0

0

K

8661.25

0

0

8661.25

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

9483300

0

71124.75

4741650

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

8661.25

0

0

11555.989

0

1913.88

0

2887.083

0

0

0

0

1913.88

0

0

0

0

0

71124.75

0

2340.69

71124.75

7902.75

0

26.343

7902.75

0

0

0

0

0

0

0

0

4741650

1913.88

71124.75

10120000

0

0

0

0

0

0

318980

0

0

0

0

0

0

0

7902.75

0

3161100

0

7902.75

1580550

0

0

0

0

0

0

0

0

0

2887.083

0

0

0

2932.603

0

11379.96

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

26.343

0

7902.75

0

3490.843

7902.75

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

7902.75

0

1580550

11379.96

7902.75

6954420

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1913.88

0

318980

0

0

0

0

0

0

637960

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

Q

q

K

Q

K

q

1

0

0

0

0,009

0

0

0,004

0,003

-

2,475

-

0,002

-

0

0,009

-

2,477

-

0

-

0

2,477

-

q

0,004

0,003

-

2,475

-

0

0

0

0

0,009

-

2,477

-

0,009

0

0

0,004

0,003

-

2,475

-

0,002

-

0,009

-

2,477

-

0

0,009

-

2,477

-

0

-

0

2,477

-

AG

q

q

A

q

AG

background image

A. Maryniak, P. Szewczyk, Macierzowa Metoda Przemieszczeń - Przykład 

9.3. Macierze przemieszczeń prętów w układzie globalnym i lokalnym 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Macierze sił 

PLi

Q

Li

Li

Li

q

k

S

 

 
 

0

0,009

-

2,477

-

0

-

0

2,477

-

1

G

q

0,004

0,003

-

2,475

-

0,002

-

0,009

-

2,477

-

2

G

q

0

0,009

-

2,477

-

0,009

0

0

3

G

q

0,004

0,003

-

2,475

-

0

0

0

4

G

q

Gi

i

Li

q

q

0

0,009

-

2,477

-

0

-

0

2,477

-

1

L

q

0,004

0,003

-

2,475

-

0,002

-

0,009

-

2,477

-

2

L

q

0

2,477

-

0,009

-

0,009

0

0

3

L

q

0,004

2,475

0,003

-

0

0

0

4

L

q

0,004

0,003

-

2,475

-

0

0

0

0

0,009

-

2,477

-

0,009

0

0

0,004

0,003

-

2,475

-

0,002

-

0,009

-

2,477

-

0

0,009

-

2,477

-

0

-

0

2,477

-

AG

q

kNcm

kN

kN

kNcm

kN

kN

S

L

   

922,51

4,613

-

0

0

4,613

0

1

kNcm

kN

kN

kNcm

kN

kN

S

L

   

8122,574

8,538

-

5,654

0

18,538

5,654

-

2

kNcm

kN

kN

kNcm

kN

kN

S

L

   

922,401

-

5,655

-

13,925

-

0

9,345

-

13,925

3

kNcm

kN

kN

kNcm

kN

kN

S

L

   

8122,574

-

5,654

11,462

-

25954,232

-

130,654

-

11,462

4