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

 

 
                                   
 
 
 
 
Ireneusz KREJA

1

       

Czesław SZYMCZAK

2

 

 
 
 

ANALIZA WRAŻ LIWOŚCI DWUTEOWEGO PRĘTA 

CIENKOŚCIENNEGO Z PRZEWIĄ ZKAMI 

 
 

1.  Wstęp 

 
Prę ty  cienkościenne  o  przekroju  otwartym,  na  przykład  dwuteowym,  charakteryzują   się  
stosunkowo małą  sztywnością  na skrę canie. W przypadku działania obcią ż eń  powodują cych 
skrę canie  prę ta  zachodzi  wię c  czę sto  potrzeba  zwię kszenia  tej  sztywności.  W  takich 
sytuacjach  czę sto  stosowane  przepony  poprzeczne  lub  przewią zki.  Przy  racjonalnym 
projektowaniu takich stę ż eń  oraz ich lokalizacji moż e być  przydatna analiza wraż liwości [1]. 
Uzyskane  na  jej  podstawie  linie  wpływowe  zmian  przemieszczeń   lub  sił  wewnę trznych  na 
skutek  zmian  parametrów  stę ż eń   wskazują   najlepsze  miejsca  umieszczenia  stę ż eń ,  a  takż e 
pozwalają  określić , co prawda w przybliż ony sposób, zmiany zachowania się  konstrukcji. W 
analizie  statycznej  prę ta  cienkościennego,  opartej  na  klasycznej  teorii  prę tów 
cienkościennych  o  przekroju  nieodkształcalnym  [2],  wpływ  przepon  lub  przewią zek 
uwzglę dniamy przez dodanie sprę ż ystych stę ż eń  bimomentowych [3, 4, 5]. Jak wykazano w 
studium  porównawczym  [6],  sposób  ten  jest  obarczony  znacznymi  błę dami  w  stosunku  do 
analizy opartej na MES przy przyję ciu modelu dwuwymiarowego. Zaproponowany w pracy 
[6],  model  jednowymiarowy  prę ta  z  superelementami  w  są siedztwie  miejsca  lokalizacji 
przewią zki okazał się  przydatny w analizie i zapewnił znaczną  poprawę  wyników. Wią ż e się  
to z faktem, ż e w ten sposób uwzglę dniamy moż liwość  deformacji przekroju poprzecznego 
prę ta w pobliż u przewią zki oraz lepiej modelujemy pracę  samej przewią zki lub przepony. W 
niniejszej  pracy  taki  model  prę ta  cienkościennego  o  przekroju  nieodkształcalnym  z 
superelementami  w  miejscach  stę ż eń   zastosowany  zostanie  do  analizy  wraż liwości 
przemieszczeń   lub  sił  wewnę trznych  prę ta  poddanego  skrę caniu.  Wyniki  uzyskane  w  ten 
sposób  porównano  z  rezultatami  otrzymanymi  na  podstawie  klasycznej  teorii  Własowa  [6]  
skrę cania  skrę powanego  prę ta  o  przekroju  otwartym  [2].  Ponadto  zbadano  dokładność  
uzyskanego na podstawie analizy wraż liwości oszacowania zmian przemieszczeń  na skutek 
zmian  szerokości  przewią zek  przez  porównanie  z  wynikami  analizy  prę ta  ze  zmienionymi 
parametrami przewią zek. 

 

                                                           

1

 Dr inż ., Wydział Inż ynierii Lą dowej Politechniki Gdań skiej  

2

 Prof. dr hab. inż ., Wydział Inż ynierii Lą dowej Politechniki Gdań skiej 

background image

 

110 

2.  Analiza wraż liwości modelu jednowymiarowego pręta 

 
W  numerycznej  analizie  prę tów  o  cienkościennym  przekroju  poprzecznym  poddanych 
skrę caniu  stosowany  jest  powszechnie  model  jednowymiarowy  bazują cy  na  teorii  prę tów 
cienkościennych  o  przekroju  nieodkształcalnym.  Rozpatrzmy  ściskany  osiowo  siłami  
cienkościenny  prę t  o  dwuteowym  przekroju  poprzecznym  z  przewią zkami  oraz  innymi 
stę ż eniami  poprzecznymi  pracują cymi  na  ką cie  skrę cenia 

q

.  Przewią zki,  podobnie  jak 

przepony poprzeczne, wpływają  na spaczenie przekroju poprzecznego prę ta i modelowane są  
podłoż em  sprę ż ystym  Winklera  o  module  k

B

.  W  taki  sam  sposób  modelowane  są   stę ż enia 

pracują ce na ką cie skrę cenia, z tym, ż e sztywność  podłoż a sprę ż ystego określona jest przez 
moduł k

q

 

 (rys. 1). 

 

k

q

 

k

q

,k

 

 

Rys. 1. Prę t cienkościenny o przekroju dwuteowym ze stę ż eniami 

 
Siły wewnę trzne, reakcje oraz przemieszczenia, które bę dziemy określali jako zmienne stanu 
s

k

  zależ ą   od  parametrów  geometrycznych  i  mechanicznych  materiału  prę ta  zwanych 

zmiennymi  projektowymi  d

i

.  Podczas  projektowania  konstrukcji  zachodzi  czę sto  potrzeba 

zmian zmiennych projektowych aby uzyskać  poż ą dane zmiany jej zachowania się . W naszej 
pracy interesować  nas bę dą  zmiany zmiennych stanu 

D

s

k

 od zmian parametrów stę ż eń  

D

d

i

. W 

pracy  [6],  korzystają c  z  koncepcji  konstrukcji  sprzę ż onej,  wyprowadzono  ogólny  wzór  na 
wariację   zmiennej  stanu 

d

s

k

,  która  jest  liniową   czę ścią   przyrostu 

D

s

k

,  w  zależ ności  od 

wariacji dowolnej zmiennej projektowej 

d

d

 

,

,

,

,

,

0

0

dz

d

k

k

A

I

P

GI

EI

s

i

l

d

B

d

d

s

d

w

k

d

q

q

q

q

q

q

q

q

d

q

ò

ú

û

ù

ê

ë

é

¢

¢

+

+

¢

¢

÷÷

ø

ö

çç

è

æ

-

+

¢¢

¢¢

=

          (1) 

 

gdzie EI

 i GI

s

 są  odpowiednio sztywnością  bimomentową  i sztywnością  czystego skrę cania 

prę ta,  I

  jest  momentem  biegunowym  a  A  polem  przekroju  poprzecznego  prę ta, 

q

    i 

q

 

oznaczają   ką ty  skrę cenia  prę ta  poddanego  działaniu  obcią ż enia  zewnę trznego  i  obcią ż enia 
sprzę ż onego  natomiast 

( )

¢

... i

( )

d

,

...

  oznaczają   odpowiednio  pochodną   wzglę dem 

współrzę dnej  z  i  pochodną   czą stkową   wzglę dem  zmiennej  projektowej  d

i

.  W  przypadku 

zmian parametrów stę ż eń  bimomentowych otrzymujemy 

 

,

)

(

.

,

0

0

ò

ò

=

¢

¢

=

l

sd

i

l

d

B

k

dz

z

F

dz

d

k

s

d

q

q

d

                                     (2) 

 

gdzie funkcja podcałkowa F

sd

(z) moż e być  traktowana jako linia wpływowa zmian zmiennej 

stanu s

 od jednostkowej punktowej zmiany zmiennej projektowej d

i

background image

 

111 

Sztywność  bimomentowa przewią zki zgodnie z pracami [3,5] wynosi 

.

2

2

3

h

tw

Eb

k

B

=

                                                            (3) 

Wystę pują ce we wzorze (3) parametry przewią zki objaśniono na rys. 2. 

 

 

Rys. 2. Parametry geometryczne przewią zki 

 

W  przypadku  jednej  przewią zki,  której  środek  jest  określony  współrzę dną   z  =  z

0, 

wariacja 

zmiennej  stanu 

d

s

k

  na  skutek  zmiany  na  przykład  szerokości  przewią zki 

D

b

 

obliczona  na 

podstawie wzorów (2) i (3) wynosi 

.

)

(

)

(

5

.

1

0

0

2

1

2

b

z

z

b

h

Etw

s

k

D

¢

¢

=

-

q

q

d

                                         (4) 

W przypadku uwzglę dnienia wpływu ścinania w przewią zce [3] należ y prawą  stronę  wzoru 
(4) przemnoż yć  przez współczynnik korekcyjny k

(

)

(

)

[

]

,

1

5

.

2

1

75

.

0

1

2

2

2

2

2

-

-

-

+

+

+

=

h

b

w

b

k

T

n

                                         (5) 

gdzie 

n

 jest współczynnikiem Poissona materiału przewią zki. 

 

3.  Analiza wraż liwości modelu jednowymiarowego pręta z superelementami  

 

W  przypadku  wykorzystania  do  modelowania  prę ta  koncepcji  superelementu  w  miejscu 
umieszczenia  przewią zki  co  było  przedmiotem  poprzedniej  naszej  pracy  [7],  wykorzystany 
zostanie odpowiednik dyskretny wzoru (2) (porównaj [2]) 

,

i

i

T

k

d

dd

d

s

d

d

u

K

u

=

                                                    (6) 

gdzie  u  i    oznaczają   wektory  przemieszczeń   układu  odpowiednio  od  stanu  obcią ż eń  
zewnę trznych i stanu obcią ż eń  sprzę ż onych a jest macierzą  sztywności układu. 
Potrzebną   pochodną   macierzy  sztywności  wzglę dem  zmiany  parametru  przewią zki 

i

dd

dK

moż na określić  poprzez odpowiedni iloraz róż nicowy 

(

)

( )

.

i

i

i

i

i

d

d

d

d

dd

d

D

-

D

+

»

K

K

K

                                               (7) 

Należ y zwrócić  uwagę , ż e niezerowe elementy w pochodnej macierzy sztywności wystę pują  
jedynie dla stopni swobody odpowiadają cych superelementowi z przewią zką . Korzystają c z 
tej własności moż na wyznaczyć  kolejne wartości linii wpływowej wariacji zmiennej stanu na 
podstawie wzoru (6) przez przesuwanie superelementu z przewią zką  wzdłuż  osi prę ta. 

background image

 

112 

4.  Przykłady numeryczne 

 
Wyznaczmy  linię   wpływową   wariacji  ką ta  skrę cenia  w  środku  rozpię tości  swobodnie 
podpartego dwuteowego prę ta od wstawienia w dowolnym przekroju pary przewią zek. Jako 
zmienną  projektową  przyję to w tym przypadku szerokość  przewią zki b. Prę t jest obcią ż ony 
momentem skrę cają cym w przekroju środkowym jak podano na rys. 3 
 

 

Rys. 3. Analiza wraż liwości swobodnie podpartego prę ta dwuteowego  

 
Linię   wpływową   uzyskaną   dla  modelu  prę towego  porównamy  z  wynikami  analizy 
numerycznej  bazują cej  na  wykorzystaniu  macierzy  sztywności  powtarzalnego  segmentu 
belki cienkościennej z przewią zką  (rys. 4).  
 

c

A

c

A

c

B

c

B

j

XA

j

XB

BM

B

BM

B

M

XB

BM

A

BM

A

M

XA

 

Rys. 4. Segment belki z parą  przewią zek umieszczonych w połowie długości 

 

Zgodnie  z  procedurą   opisaną   w  pracy  [7]  zbudowano  macierze  sztywności  dla  segmentu  o 
długości 40 cm z umieszczoną  centralnie przewią zką  o szerokości b, przyjmują c b = 0 cm, 
5 cm,  10  cm,  15  cm  i  20  cm.  Pierwsze  przybliż enie  pochodnej  macierzy  sztywności 
obliczono na podstawie wzoru (7):     

background image

 

113 

(

)

(

)

05

.

0

0

05

.

0

0

=

-

=

»

=

b

m

b

db

d

b

K

K

K

                                               (8) 

Modelują c analizowaną  belkę dziesięcioma segmentami wyznaczono dyskretne wartości funkcji 
podcałkowej (6) w punktach odpowiadają cych kolejnemu położeniu środka przewią zki: 

10

,

,

2

,

1

,

4

.

0

)

1

(

2

.

0

K

=

´

-

+

=

i

m

i

m

x

i

                                          (9) 

Uzyskane  linie  wpływu  zestawiono  na  rys.  5.  Zauważ alna  jest  duż a  rozbież ność   wyników 
otrzymanych  dla  dwóch  uż ytych  modeli.  Potwierdza  się   wniosek  z  wcześniejszych  analiz 
(por. [7]), ż e sztywność  przewią zek w modelu prę towym jest znacznie zawyż ona.  
 

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

2.4

2.8

3.2

3.6

4

rz

ę dna belki, z [m]

rz

ę

d

n

a

 l

in

ii

 w

p

ły

w

u

linia wp

ływu - model prę towy

linia wp

ływu - model numeryczny

 

Rys. 5. Linia wpływu wzglę dnego przyrostu ką ta skrę cenia przekroju środkowego  

wskutek zastosowania przewią zki o szerokości jednostkowej w przekroju o rzę dnej z 

 

W celu weryfikacji wyznaczonych linii wpływu wykonano obliczenia sprawdzają ce zgodnie 
ze schematem pokazanym na rys. 6 (wykorzystują c symetrię  problemu). 
 

segment z przewi

ązką zastę puje 

kolejno i-ty segment modelu belki,

i = 1, 2, 3, 4, 5

model belki zbudowany z 10 segment

ów 

ka

ż dy o długoś ci 0.4 m 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

 

Rys. 6. Model belki zastosowany w obliczeniach sprawdzają cych 

 
Na rysunkach 7, 8 i 9 przedstawiono wykresy zmiany ką ta skrę cenia przekroju środkowego 
belki  wskutek  wstawienia  w  przekroju  o  odcię tej z,  przewią zki  o  szerokości,  odpowiednio, 
= 5cm,  = 10cm  oraz  = 20cm,  wyznaczone  na  podstawie  analizy  wraż liwości  dla 
modelu prę towego i modelu numerycznego oraz wyników obliczeń  sprawdzają cych.  
Zgodnie  z  oczekiwaniami  obliczenia  sprawdzają ce  potwierdzają   rezultaty  analizy 
wraż liwości  dla  modelu  numerycznego.  Moż emy  jednak  zauważ yć ,  ż e  w  miarę   wzrostu 

background image

 

114 

szerokości  przewią zki  rosną   róż nice  pomię dzy  wynikami  analizy  wraż liwości  
a  rozwią zaniami  obliczeń   sprawdzają cych.  Jest  to  nieunikniona  konsekwencja  liniowego 
przybliż enia  pochodnej  macierzy  sztywności  (9),  która  de  facto  nie  jest  liniową   funkcją  
szerokości  przewią zki b.  Ó w  efekt  nieliniowości  dobrze  ilustruje  wykres  przedstawiony  na 
rys. 10, ukazują cy wzglę dną  zmianę  kata skrę cenia jako funkcję  umieszczenia w przekroju o 
odcię tej z, jednej pary przewią zek o szerokości b.  
 

-0.14

-0.12

-0.10

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

2.4

2.8

3.2

3.6

4

rz

ę dna belki [m]

w

z

g

d

n

y

 p

rz

y

ro

s

k

ąt

a

 s

k

c

e

n

ia

analiza wra

ż liwoś ci - model prę towy

analiza wra

ż liwoś ci - model numeryczny

obliczenia sprawdzaj

ące b=5cm - model numeryczny

 

Rys. 7. Wzglę dny przyrost ką ta skrę cenia wskutek zastosowania przewią zki b = 5cm 

 

-0.30

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

2.4

2.8

3.2

3.6

4

rz

ę dna belki [m]

w

z

g

d

n

y

 p

rz

y

ro

s

k

ąt

a

 s

k

c

e

n

ia

analiza wra

ż liwoś ci - model prę towy

analiza wra

ż liwoś ci - model numeryczny

obliczenia sprawdzaj

ące b=10cm - model numeryczny

Rys. 8. Wzglę dny przyrost ką ta skrę cenia wskutek zastosowania przewią zki b = 10cm 

background image

 

115 

-0.60

-0.50

-0.40

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

2.4

2.8

3.2

3.6

4

rz

ę dna belki [m]

w

z

g

d

n

y

 p

rz

y

ro

s

k

ą

ta

 s

k

c

e

n

ia

analiza wra

ż liwoś ci - model prę towy

analiza wra

ż liwoś ci - model numeryczny

obliczenia sprawdzaj

ące b=20 cm - model

numeryczny

 

Rys. 9. Wzglę dny przyrost ką ta skrę cenia wskutek zastosowania przewią zki b = 20cm 

 

-0.3

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0

0.05

0.1

0.15

0.2

szeroko

ś ć  przewiązki, b [m]

w

z

g

d

n

a

 z

m

ia

n

a

 k

a

ta

 s

k

c

e

n

ia

z = 0.2

z = 0.6

z = 1

z = 1.4

z = 1.8

 

Rys. 10. Wpływ umieszczenia jednej pary przewią zek w przekroju o odcię tej z 

 

5.  Wnioski końcowe 

 

W  pracy  przedstawiono  analizę   wraż liwości  dowolnej  zmiennej  stanu  określają cą   zmiany 
zachowania się  cienkościennego prę ta o dwuteowym przekroju poprzecznym ze wzglę du na 
zmiany parametrów przewią zek. W szczególnym przypadku moż na oszacować  w ten sposób 
skutki  wstawienia przewią zek  w dowolnym  miejscu prę ta, a takż e ustalić   najkorzystniejsze 
miejsce  ich  lokalizacji.  Porównano  dwa  sposoby  modelowania  prę ta:  w  pierwszym 
rozważ ania  są   oparte  na  teorii  prę tów  cienkościennych  o  przekroju  nieodkształcalnym  a  w 
drugim na koncepcji wprowadzenia superelementu w miejscu lokalizacji przewią zek. W ten 
sposób  uwzglę dnia  się   wpływ  deformacji  prę ta  w  pobliż u  przewią zki.  Zbadano  takż e 

background image

 

116 

dokładność  określania zmian zachowania się  prę ta przy zmianach parametrów przewią zki za 
pomocą   analizy  wraż liwości.  Na  tej  podstawie  ustalono,  ż e  proponowany  model 
jednowymiarowy  prę ta  z  superelementami  w  miejscu  przewią zek  daje  wystarczają ce  dla 
celów praktycznych oszacowanie zmian zachowania się  prę ta bez konieczności powtarzania 
analizy statycznej z wprowadzonymi zmianami. 
 

Podziękowania 

 
Praca powstała dzię ki finansowemu wsparciu KBN w ramach projektu Nr 7 T07E 015 19.  

 

Literatura  

                                                                      

 

[1]  HAUG  E.J.,  CHOI  K.K.,  KOMKOV  V.,  Design  sensitivity  analysis  of  structural 

systems. Academic Press, Orlando, 1986. 

[2]  WŁ ASOW W.Z., Tonkostennyje uprugije stierż ni. Fizmatgiz, Moskwa, 1959 
[3]  SZEWCZAK  R.M.,  SMITH  E.A.,  DEWOLF  J.T.,  Beams  with  torsional  stiffeners, 

J. Struct. Engrg. ASCE, t.1031983, s.1635-1647. 

[4]  SVENSSON  S.E.,  PLUM  C.M.,  Stiffener  effects  on  torsional  buckling  of  columns, 

J. Struct. Engrg. ASCE, t.109, 1983, s.758-772. 

[5]  GOSOWSKI  B.,  Stateczność  przestrzenna  stę ż onych  podłuż nie  i  poprzecznie 

pełnościennych  elementó w  konstrukcji  metalowych.  Prace  Naukowe  Instytutu 
Budownictwa Politechniki Wrocławskiej nr 66, Monografie 29, Wrocław 1992. 

[6]  BUDKOWSKA  B.B.,  SZYMCZAK  C.,  Sensitivity  analysis  of  thin-walled  I  beams 

resting on elastic foundation, J. Engng, Mech. ASCE, t.118, 1992, s.1239-1248. 

[7]  SZYMCZAK  C.,  KREJA  I.,  MIKULSKI  T.,  Numeryczne  modelowanie 

cienkościennego prę ta z przewią zkami. XLVII Konf. Naukowa KILiW PAN i KN PZITB 
„ Krynica 2001” 
, Opole-Krynica 2001, t.2, s.111-118. 

 
                                                                      

 

   

SENSITIVITY ANALYSIS OF THIN-WALLED I-BEAM  

WITH BATTENS 

                                                                      

. 

Summary  

 

Sensitivity analysis of thin-walled beams with battens subjected to static loads is presented. 
The first variation of arbitrary state variable with respect to change of the battens parameters 
is  determined.  Two  methods  of  modelling  for  the  beam  with  battens  are  taken  into 
consideration. Firstly, the battens are modelled according to the theory of thin-walled beams 
with the nondeformable cross-section as a warping spring support and secondly, more exact 
model of battens, based upon a concept of superelement is introduced. A comparative study 
of  the  sensitivity  analysis  based  on  these  two  methods  of  structure  modelling  is  presented. 
Some numerical examples, dealing with a simply supported beam are given.