Macierz sztywności Globalny układ

u

Lokalny układ

F

jY

jX

x

j u

współrzędnych

jX

współrzędnych

u jy Fjx

j

u jx

FjY

y

Fjy

L

y

Y

L

u

F

iY

iX

α

i u

uiy

iX

uix

F

Fix

i

iY

Lx

Fiy

X

Wektor przem ieszczeń węzłowych węzła Wektor przem ieszczeń węzłowych elementu e

początkowego i oraz końcowego j w lokalnym w lokalnym układzie współrzednych układzie współrzednych

u





ix





 u 

 u 

 u' 

u





ix





jx





e

i

 

iy

u' =

u' =

u' =

= 



i

 u 

j





 



u

u'

u

iy 

 jy 

 j   jx 





u

 jy 

Wektor sił węzłowych węzła początkowego i

Wektor sił węzłowych elem entu e w lokalnym oraz końcowego j w lokalnym układzie układzie współrzednych

współrzednych

F





ix





 f' 

F





 F 

 F 

e

i

ix

jx

 

iy









f' =

f' =

f' =



= 



f' 

i

 F 

j

 F 



F

j 

 jx 

 iy 

 jy 





F

 jy 

Związek między wektoram i sił i przem ieszczeniami węzłowymi e

e

e

K' ⋅u' = f'

Wrównania rownowagi:

ΣF = F

+ F

= 0

ΣF = F

+ F = 0

ΣM = F ⋅L = 0

x

ix

jx

y

iy

jy

i

jy

F

= F

−

F

= F

−

F

= 0

ix

jx

iy

jy

<=======

jy

F

= 0

iy

Prawo Hookeà:

σ = E⋅ε

i

j

j

N

N

N

∆L

= E⋅

N

A

L

σ =

L

∆L

A

N⋅L

∆L

∆L =

ε =

E⋅A

F

= N

−

F

= N

L

ix

∆L = u

− u

jx

jx

ix

E⋅A

E⋅A

N =

⋅∆L

N =

⋅ u − u

(

)

L

L

jx

ix

Siły wyrażone w przem ieszczeniach: E⋅A

E⋅A

F

= N

− =

⋅ u − u

(

)

F

= N =

⋅ u − u

(

)

ix

L

ix

jx

jx

L

jx

ix

Zapis macierzowy:

e

e

e

 ⋅

⋅

K' ⋅u' = f'

E A

E A



0 −

0



 u





F





ix

ix

L

L

E⋅A

E⋅A



 

 



F

=

⋅u + 0⋅u −

⋅u + 0⋅u

u

F

ix

0

0

0

0



 



iy

iy

L

ix

iy

L

jy

jy



⋅





 = 



E⋅A

E⋅A

 u

F

−

⋅

0

0



  jx   jx 

E A

F

=

⋅ u − u

(

)

L

L



 

 



ix

ix

jx

u

F

L





 



0

0

0

0 

jy

jy

e

e

e

K

u

f

Macierz sztywności elementu w lokalnym układzie współrzędnych:

 E⋅A

E⋅A



Zapis blokowy:

0 −

0





L

L





e

0

0

0

0





e

 J'

J

− ' 

E⋅A  1 0 

K' =

=

⋅



K' = 

 gdzie

J'





E⋅A

E⋅A



 J

− ' J' 

L

 0 0 

−

0

0





L

L





 0

0

0

0 

Obrót układu współrzednych: Y

u

= u ⋅cosα − u ⋅sinα

c = cosα

iX

ix

iy

x

s = sinα

y

u

= u ⋅sinα + u ⋅cosα

iY

ix

iy

u is

x

inα

uix

u

 u 

 u 

iX

 c s

− 

ix

iy

u









i c

y

osα

=

⋅



 

  

α

u



 s c  u

iY 

 iy 

u is

y

inα

u ic

x

osα

Macierz transformacji



 u 

 u 

c

s

− 

ix





iX





R = 



u' =

u =

u = R ⋅u'

i

 s c 

i

 u 

i





i

i

i



u

iy 

 iY 

u





u





iX

ix







c

s

− 0 0



 



R

0 





e

i





e

e

e

u





u





R =

=

⋅

iY

s

c

0 0

iy



u

R u'





0

R 



 =

⋅





j 

u



 0 0 c s

−  u

jX 

 jx 



 



0 0

s

c  



u



u

jY 

 jy 

Transf ormacj a wektorów sił w węźle: Transf ormacj a wektorów sił węzłowych elementu: e

e e

f = R ⋅f'

f = R ⋅f'

i

i i

Macierz sztywności elementu w globalnym układzie współrzędnych: e

e

e

K' ⋅u' = f'

związek łączący przemieszczenia i siły węzłowe w lokalnym układzie współrzędnych Lewostronne przemnożenie przez macierz obrotu elem entu e

e

e

e e

R ⋅K' ⋅u' = R ⋅f'

−

−

−

−

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

m acierz

( ) 1

e

( ) 1

e

= (

)T

= (

) 1

= (

) 1

u = R ⋅u'

R

⋅u

R

⋅R ⋅u'

u'

R

⋅u

R

R

R

ortogonalna

e

e

= (

)T e

u'

R

⋅u

e

e

e

⋅( )T e

e e

e

e e

R ⋅K'

R

⋅u = R ⋅f'

f = R ⋅f'

e

e

e

⋅( )T e

e

R ⋅K'

R

⋅u = f

e

e

e

e

=

⋅( )T

K

R ⋅K'

R

e e

e

związek łączący przemieszczenia i siły węzłowe w globalnym układzie współrzędnych K ⋅u = f

 E⋅A

E⋅A



0 −

0





c

s

− 0 0



 L

L



 c s 0 0





c

s

− 0 0



 1 0 1

−

0



 c s 0 0





e

s

c

0 0





0

0

0

0





s

− c 0 0





E⋅A

s

c

0 0



 0 0 0 0





s

− c 0 0





K =

⋅

⋅

=

⋅

⋅

⋅

 0 0 c s

−   E⋅A

E⋅A

  0 0 c s 

L

 0 0 c s

−   1

−

0

1

0   0

0

c

s 



−

0

0



 

 





 

 



0 0

s

c 

L

L



  0 0 s

− c 

 0 0 s c   0 0 0 0   0 0 s

− c 

 0

0

0

0 

2

2





c

cs

c

−

cs

−





c

0

c

− 0



 c s 0 0









2

2

e

E⋅A

s

0

s

− 0





s

− c 0 0





E⋅A

sc

s

s

− c

s

−





K =

⋅

⋅

=

⋅

L

 c

−

0

c

0   0

0

c

s 

L

 2

2





c

−

cs

−

c

cs



 







s

−

0

s

0   0 0

s

− c 



2

2





s

− c

s

−

sc

s



Macierz sztywności elementu w globalnym układzie współrzędnych: 2

2





c

cs

c

−

cs

−





Zapis blokowy:





2

2

e

sc

s

s

− c

s

−





K =

2









J

− 

⋅

c

sc

2

2



e

J

E A 



c

−

cs

−

c

cs

=

⋅





K = 



gdzie

J

!

 J

−

J 

L



2 



 sc s 

2

2





s

− c

s

−

sc

s



Wykorzystanie składowych wektora elem entu: 2





x

Lx

Lx

Ly Lx

y





c = cosα =







⋅



2





L =

j

L

⋅

 L





L

L

⋅

Lx

Lx⋅Ly

Y

Lsinα

E A



E A 



J =

⋅

=

⋅

L

Ly

L



2

3 

2 

s = sinα =

α

X

Ly Lx

 Ly

L



L

 Lx⋅Ly Ly 

⋅

  

i

L =

 L L  L  

X

Lcosα

2





E⋅A

Lx

Lx⋅Ly





J =

⋅

3 

2 

L

 Lx⋅Ly Ly 