Analiza płyt i powłok MES Zagadnienie wyboczenia
Analiza płyt i powłok MES Zagadnienie wyboczenia
Analiza płyt i powłok MES Zagadnienie wyboczenia
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Podziękowania:<br />
<strong>Analiza</strong> <strong>płyt</strong> i <strong>powłok</strong> <strong>MES</strong><br />
<strong>Zagadnienie</strong> <strong>wyboczenia</strong><br />
Jerzy Pamin i Marek Słoński<br />
e-mails: {JPamin,MSlonski}@L5.pk.edu.pl<br />
M. Radwańska, J. Jaśkowiec, A. Wosatko<br />
T. Kolendowicz Mechanika budowli dla architektów<br />
G. Rakowski, Z. Kacprzyk, Metoda elementów skończonych<br />
w mechanice konstrukcji<br />
ADINA R&D, Inc.http://www.adina.com<br />
ANSYS, Inc. http://www.ansys.com<br />
ROBOT http://www.autodesk.com<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Tematyka zajęć<br />
Klasyfikacja modeli i elementów skończonych<br />
Elementy skończone dla <strong>płyt</strong> zginanych<br />
Elementy skończone dla <strong>powłok</strong><br />
<strong>MES</strong> w symulacji <strong>wyboczenia</strong><br />
Zjawisko <strong>wyboczenia</strong><br />
Algorytm analizy <strong>wyboczenia</strong> <strong>MES</strong><br />
Teoria umiarkowanie dużych ugięć<br />
Modelowanie katastrofy World Trade Center<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Podręczniki<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Klasyfikacja modeli i elementów skończonych<br />
Obniżenie wymiarowości:<br />
◮ ustroje prętowe (geometrycznie jednowymiarowe)<br />
◮ ustroje powierzchniowe (dwuwymiarowe)<br />
◮ ustroje bryłowe (trójwymiarowe)<br />
Elementy skończone dla mechaniki:<br />
◮ 1D - kratowy (truss)<br />
◮ 1.5D - belkowy (beam), ramowy (frame)<br />
◮ 2D - PSN (panel, plane stress), PSO (plane strain), symetria osiowa<br />
(axial symmetry)<br />
◮ 2.5D - <strong>płyt</strong>owy (plate/slab), <strong>powłok</strong>owy (shell)<br />
◮ 3D - bryłowy (volume)<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Ustrój 2.5D - <strong>płyt</strong>a<br />
Zginanie Ścinanie Skręcanie<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Ustrój 2.5D - <strong>powłok</strong>a<br />
Ugięcia pod działaniem<br />
obciążenia równomiernego<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Płyta zginana [1]<br />
Ugięcie - podstawowa niewiadoma<br />
Naprężenia (uogólnione)<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Zginanie - odkształcenia i naprężenia uogólnione<br />
Teoria <strong>płyt</strong> cienkich Kirchhoffa-Love’a<br />
Krzywizny i spaczenie<br />
Momenty zginające i skręcające<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Prostokątny element skończony do analizy <strong>płyt</strong><br />
Węzłowe stopnie swobody i siły<br />
Uwaga na zadawanie warunków brzegowych<br />
(kinematycznych i statycznych)<br />
Funkcje kształtu Hermite’a<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Powłoka<br />
Geometria <strong>powłok</strong>i<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Powłoka - naprężenia uogólnione<br />
Teoria <strong>powłok</strong> cienkich mało wyniosłych<br />
Stan naprężenia w powłoce<br />
Siły tarczowe + zginanie (wpływ<br />
ścianania poprzecznego pominięty)<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Elementy skończone do analizy <strong>płyt</strong> i <strong>powłok</strong><br />
Teoria Reissnera-Mindlina <strong>powłok</strong> umiarkowanie grubych<br />
Kąty obrotu są niezależnie<br />
aproksymowane<br />
Element skończony Ahmada<br />
- zdegenerowane continuum<br />
Uwzględniony wpływ<br />
ścinania poprzecznego<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Zjawisko <strong>wyboczenia</strong><br />
Założenia liniowej analizy <strong>wyboczenia</strong>:<br />
◮ obciążenie jest jednoparametrowe, zmieniające się proporcjonalnie do<br />
parametru obciążenia λ<br />
P = λP ∗<br />
◮ obciążenie jest zachowawcze, tzn. nie zmienia kierunku podczas<br />
odkształcania się konstrukcji<br />
◮ ustrój (pręt, tarcza, <strong>powłok</strong>a) jest idealny, bez geometrycznych,<br />
materiałowych czy obciążeniowych imperfekcji, które zaburzają<br />
idealny stan przedwyboczeniowy<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Zjawisko <strong>wyboczenia</strong> c.d.<br />
Obciążenie Pkr = λkr P ∗ to obciążenie krytyczne, po osiągnięciu<br />
którego następuje wyboczenie, gdzie przez P ∗ oznaczono tzw. obciążenie<br />
konfiguracyjne odpowiadające λ = 1.<br />
Cechą charakterystyczną utraty stateczności przez wyboczenie jest<br />
zasadnicza zmiana formy deformacji układu konstrukcyjnego z<br />
naprężeniami ściskającymi w całym układzie lub jego części.<br />
Źródło: E. Ramm, Buckling of Shells, Springer-Verlag, Berlin 1982<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Przykłady zjawiska <strong>wyboczenia</strong><br />
Kryterium statyczne utraty stateczności (przez wyboczenie) polega na<br />
badaniu równowagi bliskich stanów przed- i powyboczeniowych. Zjawisko<br />
<strong>wyboczenia</strong> zostanie pokazane dla:<br />
◮ pojedynczego pręta przegubowo podpartego,<br />
◮ wysokiej belki wspornikowej,<br />
◮ ramy portalowej płaskiej,<br />
◮ tarczy jednokierunkowo ściskanej, przegubowo podpartej na<br />
obwodzie,<br />
◮ <strong>powłok</strong>i walcowej z ciśnieniem normalnym, utwierdzonej na dolnym<br />
konturze.<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wyboczenie pojedynczego pręta<br />
Przed wyboczeniem:<br />
pręt:<br />
◮ ma prostoliniową oś,<br />
◮ jest wyłącznie ściskany (nie<br />
zginany).<br />
Po wyboczeniu:<br />
pręt:<br />
◮ ma zakrzywioną oś,<br />
◮ jest ściskany i zginany.<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wyboczenie wysokiej belki wspornikowej<br />
Przed wyboczeniem:<br />
◮ belka zginana w płaszczyźnie z obciążeniem siłą prostopadłą do osi<br />
belki, przyłożoną na swobodnym końcu<br />
Y<br />
X<br />
Figure: Przemieszczenia belki w stanie przedwyboczeniowym<br />
Po wyboczeniu:<br />
◮ następuje zwichrzenie (giętno-skrętna deformacja)<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wyboczenie wysokiej belki wspornikowej c.d.<br />
Z<br />
X<br />
Figure: Postacie <strong>wyboczenia</strong><br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wyboczenie tarczy jednokierunkowo ściskanej<br />
Przed wyboczeniem:<br />
mamy idealny stan tarczowy:<br />
◮ tarcza o idealnej płaszczyźnie środkowej,<br />
◮ obciążenie jednokierunkowo ściskające, działające idealnie w<br />
płaszczyźnie środkowej.<br />
Po wyboczeniu:<br />
powstaje stan giętny:<br />
◮ z niezerowymi przemieszczeniami prostopadłymi do płaszczyzny<br />
środkowej,<br />
◮ z krzywiznami i momentami zginającymi.<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wyboczenie tarczy<br />
jednokierunkowo ściskanej (ANSYS)<br />
Figure: Pierwsza i druga forma <strong>wyboczenia</strong><br />
Figure: Trzecia i czwarta forma <strong>wyboczenia</strong><br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wyboczenie <strong>powłok</strong>i walcowej<br />
ściskanej radialnym ciśnieniem zewnętrznym<br />
Przed wyboczeniem:<br />
panuje w powłoce:<br />
◮ stan osiowo symetryczny,<br />
◮ w większości obszaru <strong>powłok</strong>i długiej stan bezmomentowy,<br />
◮ w sąsiedztwie konturu utwierdzonego stan giętny.<br />
Po wyboczeniu:<br />
następuje zasadnicze zaburzenie osiowej symetrii:<br />
◮ powstają pofalowania w kierunku obwodowym,<br />
◮ liczba półfal jest różna dla kolejnych wartości mnożników<br />
krytycznych obciążenia<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wyboczenie <strong>powłok</strong>i c.d. (ANSYS)<br />
Figure: Kolejne formy <strong>wyboczenia</strong><br />
Metody komputerowe, studia II st.
Kryterium energetyczne <strong>wyboczenia</strong><br />
Kryterium energetyczne <strong>wyboczenia</strong><br />
Kryterium energetyczne polega na analizie przyrostu energii potencjalnej<br />
Π przy przejściu od stanu przed- do powyboczeniowego. Rozważamy dwa<br />
sąsiednie stany:<br />
◮ stan (I) równowagi, dla którego:<br />
◮ stan (II) równowagi, dla którego:<br />
δΠ (I ) = 0<br />
δΠ (II ) = δΠ (I ) + δ∆Π = 0<br />
◮ energetyczne kryterium stanu krytycznego: δ∆Π = 0.<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Algorytm analizy <strong>wyboczenia</strong> <strong>MES</strong><br />
Równanie macierzowe dla całego układu opisujące utratę stateczności<br />
przez wyboczenie:<br />
[K + λKσ(s ∗ )]V = 0,<br />
lub<br />
gdzie:<br />
[K + λKσ(s ∗ ) + Ku1(g ∗ )]V = 0,<br />
◮ macierz liniowej sztywności układu K,<br />
◮ macierz sztywności naprężeniowej Kσ(s ∗ ) oraz macierz sztywności<br />
przemieszczeniowej Ku1(g ∗ ),<br />
◮ poszukiwany mnożnik krytyczny obciążenia λkr ,<br />
◮ poszukiwana postać deformacji powyboczeniowej, opisana za<br />
pomocą wektora V = ∆Q,<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Statyka stanu przedwyboczeniowego<br />
Algorytm etapu I:<br />
1. Obliczamy globalną macierz sztywności K<br />
2. Obliczamy wektor węzłowych zastępników obciążenia<br />
konfiguracyjnego P ∗ , dla parametru obciążenia λ = 1, przy założeniu<br />
obciążenia jednoparametrowego P = λP ∗<br />
3. Uwzględnieniamy warunki brzegowe<br />
4. Rozwiązujemy układ równań K · Q ∗ = P ∗ , otrzymując<br />
przemieszczenia węzłowe w stanie przedwyboczeniowym:<br />
Q ∗ = K −1 · P ∗ ,<br />
5. Na podstawie przemieszczeń całego układu Q ∗ i danego elementu<br />
Q ∗e - obliczamy wewnątrz elementu:<br />
◮ gradienty przemieszczeń g ∗e oraz<br />
◮ uogólnione naprężenia s ∗e .<br />
Metody komputerowe, studia II st.
<strong>Analiza</strong> <strong>wyboczenia</strong><br />
Algorytm etapu II:<br />
1. Generujemy:<br />
- macierze sztywności naprężeniowej dla wszystkich elementów<br />
K e σ(s ∗e ) i całej konstrukcji Kσ(s ∗ ),<br />
- ewentualnie macierze sztywności przemieszczeniowej Ku1(g ∗ ),<br />
2. Formułujemy niestandardowy (uogólniony) problem własny,<br />
odpowiadający<br />
tzw. problemowi zlinearyzowanemu: [K + λ(Kσ + Ku1)]V = 0<br />
lub problemowi początkowemu: [K + λKσ]V = 0,<br />
3. Rozwiązujemy problem własny, wyznaczając pary<br />
(λ1, V1), . . ., (λN, VN)<br />
gdzie:<br />
◮ N – liczba stopni swobody układu,<br />
◮ λi – wartość własna - parametr krytycznego obciążenia,<br />
◮ Vi = ∆Qi – wektor własny - postać powyboczeniowej deformacji.<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wyboczenie idealnej tarczy – dane<br />
◮ wymiary: Lx = Ly = 1.16 m, h = 0.012 m,<br />
◮ stałe materiałowe: E = 2.05 · 108 kN/m2 , ν = 0.3,<br />
◮ konfiguracyjne tarczowe obciążenie konturowe odpowiadające<br />
płaskiemu zginaniu: |p∗ x,max,min | = 1.0 kN/m,<br />
◮ dwa przypadki warunków podparcia <strong>płyt</strong>y na obwodzie:<br />
a) przegubowe podparcie (na rysunku z prawej)<br />
b) utwierdzenie (na rysunku z lewej).<br />
Figure: Dyskretyzacja <strong>MES</strong>, obciążenie i dwa przypadki warunków podparcia<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wyboczenie tarczy – 2 przypadki<br />
Założenia:<br />
◮ tarcza ma idealną płaszczyznę środkową,<br />
◮ obciążenie leży idealnie w płaszczyźnie środkowej,<br />
◮ obciążenie jest jednoparametrowe, zmieniające się przez parametr λ.<br />
<strong>Analiza</strong> <strong>wyboczenia</strong> dla tarczy w stanie:<br />
1) czystego zginania tarczowego,<br />
2) czystego ścinania.<br />
Figure: Dwa przypadki obciążenia wywołującego stany czystego zginania<br />
tarczowego i czystego ścinania przed wyboczeniem<br />
Obliczenia:<br />
◮ numeryczne <strong>MES</strong> (ANKA i ROBOT): rozwiązania przybliżone.<br />
◮ analityczne: rozwiązania dokładne,<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wyboczenie przy zginaniu tarczowym<br />
Obliczenie wartości obciążenia krytycznego:<br />
Obciążenie i deformacja w stanie przedwyboczeniowym<br />
Rozwiązania analityczne dla tarczy:<br />
◮ przegubowo podpartej: p zg,analit<br />
kr<br />
= 39.0·π2 ·D m<br />
L2 x<br />
◮ utwierdzonej: p zg,analit<br />
kr<br />
= 25.6·π2 ·D m<br />
L 2 x<br />
= 9259 kN/m ,<br />
= 6077 kN/m,<br />
Rozwiązania numeryczne (ANKA, siatka 8 × 8 ES) dla tarczy:<br />
◮ przegubowo podpartej: p zg,<strong>MES</strong><br />
kr = 6028 kN/m ,<br />
◮ utwierdzonej: p zg,<strong>MES</strong><br />
kr = 11304 kN/m ,<br />
Rozwiązania numeryczne (ROBOT, siatka 12 × 12 ES) dla tarczy:<br />
◮ przegubowo podpartej: p zg,<strong>MES</strong><br />
kr = 6241 kN/m,<br />
= 11666 kN/m.<br />
◮ utwierdzonej: p zg,<strong>MES</strong><br />
kr<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Zginanie tarczowe w stanie przedwyboczeniowym<br />
Figure: Rozkład siły tarczowej nx dla tarczy przegubowo podpartej (z lewej) i<br />
utwierdzonej (z prawej)<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Zginanie tarczowe,<br />
postacie powyboczeniowe<br />
Figure: Dwie pierwsze postacie powyboczeniowe dla tarczy przegubowo<br />
podpartej (ROBOT)<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Zginanie tarczowe,<br />
postacie powyboczeniowe<br />
Figure: Dwie pierwsze postacie powyboczeniowe dla tarczy utwierdzonej<br />
(ROBOT)<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wyboczenie przy ścinaniu tarczowym<br />
Obliczenie wartości obciążenia krytycznego:<br />
Obciążenie i deformacja w stanie przedwyboczeniowym<br />
Rozwiązania analityczne:<br />
◮ dla przegubowo podpartej: p xy,analit<br />
kr<br />
= 9.36·π2 ·Dm<br />
L 2 x<br />
= 2222 kN/m,<br />
Rozwiązania numeryczne (ANKA, siatka 8 × 8 ES):<br />
= 2199 kN/m .<br />
◮ dla przegubowo podpartej na obwodzie: p xy,<strong>MES</strong><br />
kr<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wyboczenie blachownicy – dane<br />
◮ wymiary: Lx = Ly = 1.16 m, hs = 0.012 m, hp = 0.018 m,<br />
◮ stałe materiałowe: E = 2.05 · 108 kN/m2 , ν = 0.3,<br />
◮ konfiguracyjne tarczowe obciążenie konturowe:<br />
|p∗ x,min,max | = 1.0 kN/m,<br />
◮ dwa warianty analizy <strong>wyboczenia</strong> blachownicy:<br />
wariant 1: badanie lokalnego <strong>wyboczenia</strong> środnika,<br />
wariant 2: wyboczenie dźwigara składającego się ze środnika i dwóch<br />
półek.<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wariant 1: wyboczenie środnika<br />
Lokalne wyboczenie środnika:<br />
◮ wyizolowany środnik, współpracujący w rzeczywistości z półkami i<br />
żebrami, może mieć zadane różne warunki brzegowe na liniach<br />
połączenia z półkami oraz z pionowymi żebrami,<br />
◮ w skrajnych przypadkach można na całym obwodzie przyjąć linie:<br />
a) przegubowo podparte,<br />
b) zamocowane,<br />
◮ stan rzeczywisty jest stanem pośrednim,<br />
◮ przykłady rozwiązane poprzednio służą ilustracji <strong>wyboczenia</strong> samego<br />
środnika<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wariant 2: wyboczenie blachownicy c.d.<br />
<strong>Analiza</strong> <strong>wyboczenia</strong> dźwigara:<br />
◮ wykonując obliczenia przy użyciu programu ROBOT zbudowano<br />
model dyskretny:<br />
dźwigara składającego się ze środnika (12 × 12) i dwu półek (4 × 12),<br />
przy obciążeniu wywołującym zginanie dźwigara,<br />
◮ wyniki numeryczne (ROBOT):<br />
◮ p bl,<strong>MES</strong><br />
kr<br />
= 9068 kN/m,<br />
◮ porównanie wartości sił krytycznych obliczonych <strong>MES</strong> (ROBOT):<br />
◮ dla wyizolowanego środnika:<br />
- przegubowo podpartego (pp)<br />
- utwierdzonego (ut)<br />
◮ całego dźwigara (bl)<br />
p zg,pp,<strong>MES</strong> < p bl,<strong>MES</strong> < p zg,ut,<strong>MES</strong><br />
6241 kN/m < 9068 kN/m < 11666 kN/m<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Zginanie blachownicy w stanie przedwyboczeniowym<br />
Figure: Rozkład siły tarczowej nx dla blachownicy<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Postacie powyboczeniowe blachownicy<br />
Figure: Dwie postacie powyboczeniowe zginanej blachownicy (ROBOT)<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Nieliniowość geometryczna<br />
Równowaga układu zdyskretyzowanego:<br />
K ∆Q = F t+∆t<br />
ext<br />
gdzie styczna macierz sztywności:<br />
K0 - macierz sztywności liniowej<br />
− F t int<br />
K = K0 + Ku + Kσ<br />
Ku - macierz sztywności przemieszczeniowej<br />
(macierz dyskretnych związków kinematycznych B zależna od<br />
przemieszczeń)<br />
Kσ - macierz sztywności naprężeniowej (zależna od naprężeń<br />
uogólnionych)<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Teoria umiarkowanie dużych ugięć Karmana [3]<br />
Dopuszczamy ugięcie rzędu grubości<br />
Odkształcenia powierzchni środkowej<br />
εx = εL x + εN x = ∂u<br />
<br />
1 ∂w 2<br />
∂x + 2 ∂x<br />
εy = εL y + εN y = ∂v<br />
2 1 ∂w<br />
∂y + 2 ∂y<br />
γxy = γL xy + γN xy = ∂u ∂v ∂w ∂w<br />
∂y + ∂x + ∂x ∂y<br />
Krzywizny i spaczenie jak w teorii liniowej<br />
κx = κL x = − ∂2w ∂x 2 , κy = κL y = − ∂2w ∂y 2 , χxy = χL xy = −2 ∂2w ∂x∂y<br />
Układ dwu równań teorii Karmana <strong>płyt</strong> o umiarkowanie dużych ugięciach<br />
∇2∇2F (x, y) + Eh<br />
2 L(w, w) = 0<br />
Dm∇2∇ 2w(x, y) − L(w, F ) − ˆpz = 0<br />
gdzie:<br />
F (x, y) - funkcja naprężenia (nx = F,yy , ny = F,xx, nxy = −F,xy )<br />
L(a, b) = a,xxb,yy − 2a,xy b,xy + a,yy b,xx<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Teoria umiarkowanie dużych ugięć<br />
Aproksymacja <strong>MES</strong><br />
Całkowita energia potencjalna (dodatkowa energia stanu tarczowego)<br />
˜Π m = U m + Ũn − W m<br />
Dyskretyzacja<br />
u n =<br />
u(x, y)<br />
v(x, y)<br />
<br />
=<br />
Nu 0<br />
Nv 0<br />
w m = [w(x, y)] = 0 Nw<br />
Nieliniowe związki kinematyczne<br />
B (6×LSSE) = B L (6×LSSE) + BN (6×LSSE)<br />
B L (6×LSSE) =<br />
B n 0<br />
0 B m<br />
q n<br />
q n<br />
<br />
, B N (6×LSSE) =<br />
q m<br />
q m<br />
<br />
<br />
0 B n w<br />
0 0<br />
<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Teoria umiarkowanie dużych ugięć<br />
Aproksymacja <strong>MES</strong><br />
Macierze dyskretnych związków kinematycznych<br />
⎡<br />
⎤ ⎡<br />
B n = ⎣<br />
Gradienty ugięcia<br />
g =<br />
Nu,x<br />
Nv,y<br />
Nu,y + Nv,x<br />
B n w = ⎣<br />
w,x<br />
w,y<br />
⎡<br />
⎦ , B m = ⎣<br />
w,xNw,x<br />
w,y Nw,y<br />
w,xNw,y + w,y Nw,x<br />
<br />
=<br />
Nw,x<br />
Nw,y<br />
−Nw,xx<br />
−Nw,yy<br />
−2Nw,xy<br />
⎤<br />
⎦ .<br />
<br />
q m = G m q m .<br />
⎤<br />
⎦<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Teoria umiarkowanie dużych ugięć<br />
Aproksymacja <strong>MES</strong><br />
Macierz styczna elementu<br />
k e T = ke 0 + ke u + k e σ<br />
k e <br />
0 =<br />
Ae <br />
nT n n B D B 0<br />
0 BmTDmBm k e <br />
u =<br />
Ae <br />
0 BnTDnBn w<br />
BnT w DnBn 0<br />
k e <br />
0 0<br />
σ =<br />
0 GmTSnGm <br />
dA, S n =<br />
A e<br />
A e<br />
<br />
dA,<br />
<br />
dA,<br />
nx nxy<br />
Wektor sił węzłowych reprezentujących siły wewnętrzne<br />
f e <br />
int =<br />
<br />
nT B 0<br />
<br />
n S<br />
<br />
dA.<br />
B nT<br />
w<br />
B mT<br />
S m<br />
nxy ny<br />
<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Płyta kwadratowa<br />
Umiarkowanie duże ugięcia<br />
y<br />
z, w<br />
C<br />
a<br />
a<br />
ˆpz<br />
Dane:<br />
L = Lx = Ly = 2a = 1.0 m<br />
h = 0.002 m<br />
E = 200000 MPa, ν = 0.25<br />
x<br />
0.30<br />
0.15<br />
Zależność ugięcia od obciążenia:<br />
ˆpz [kPa]<br />
<strong>MES</strong><br />
(nieliniowość geometryczna)<br />
rozwiązanie liniowe:<br />
ˆpz L4<br />
wC = 0.00406 D<br />
0.001 0.002 0.003<br />
Metody komputerowe, studia II st.<br />
wC [m]
Geometrycznie i materiałowo nieliniowa analiza [6]<br />
Schemat strategii obliczeniowej<br />
realizowanej na wielu poziomach:<br />
◮ konstrukcji<br />
◮ elementu skończonego<br />
◮ warstwy<br />
◮ punktu<br />
Uwzględnione efekty:<br />
◮ śledzenie wytężenia w przekroju<br />
◮ zarysowanie betonu<br />
◮ sprężysto-plastyczne zbrojenie<br />
◮ duże przemieszczenia i ich<br />
gradienty<br />
Cele:<br />
◮ wyznaczenie ewolucji<br />
przemieszczeń<br />
◮ określenie mechanizmu<br />
uszkodzenia<br />
◮ oszacowanie nośności<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Model <strong>powłok</strong>i żelbetowej<br />
◮ Zdegenerowany element <strong>powłok</strong>owy<br />
8-węzłowy (teoria Mindlina-Reissnera)<br />
◮ Model warstwowy <strong>powłok</strong>i żelbetowej (5<br />
warstw betonu, 4 warstwy stali reprezentujące<br />
2 siatki zbrojenia)<br />
◮ Model sprężysty z rozmazanym zarysowaniem<br />
dla warstwy betonu (osłabienie betonu,<br />
redukcja sztywności na ścinanie)<br />
◮ Model sprężysto-plastyczny dla warstw stali<br />
Metody komputerowe, studia II st.
<strong>Analiza</strong> numeryczna <strong>powłok</strong>i chłodni kominowej [6]<br />
Metody komputerowe, studia II st.
<strong>Analiza</strong> numeryczna <strong>powłok</strong>i chłodni kominowej<br />
Zależności λ − wK otrzymane dwoma pakietami<br />
<strong>MES</strong> przy sterowaniu siłą lub przemieszczeniem<br />
dla obciążenia g + λ(w + s)<br />
Obciążenia chłodni:<br />
◮ ciężar własny g<br />
◮ wiatr w<br />
◮ ssanie wewnętrzne s<br />
◮ obciążenia termiczne<br />
◮ osiadania podłoża<br />
Metody komputerowe, studia II st.
<strong>Analiza</strong> numeryczna żelbetowej <strong>powłok</strong>i<br />
Wyniki analizy numerycznej <strong>powłok</strong>i z otworem technologicznym<br />
Deformacja Mapa warstwicowa membranowych sił południkowych<br />
Metody komputerowe, studia II st.
<strong>Analiza</strong> numeryczna żelbetowej <strong>powłok</strong>i<br />
Kierunki naprężeń głównych w warstwie zewnętrznej Wizualizacja rozmazanych rys<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Katastrofa World Trade Center<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Katastrofa World Trade Center<br />
Wybudowany w latach 1966-77, 110 kondygnacji o wys. ok. 3.7m, konstrukcja ramowa stalowa<br />
zgodnie z koncepcją ”rura w rurze”, rdzeń 26.5×41.8m (47 słupów połączonych krótkimi belkami,<br />
przenosił 60% ciężaru własnego), rama zewnętrzna (240 słupów skrzynkowych 356x356 co 1m na<br />
obwodzie, przenosiła 40% ciężaru własnego), stropy zespolone na dźwigarach kratowych<br />
połączonych przegubowo ze rdzeniem i ramą zewnętrzną, stężenie szczytowe na kondygnacjach<br />
107-110. Ciężar budynku ponad ziemią 3630MN, ciężar własny 2890MN, obc. użytkowe 740MN.<br />
Czas na ucieczkę w WTC1 i WTC2 odpowiednio 100 i 60 min.<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Uproszczony mechanizm katastrofy WTC [7]<br />
Efekt dynamiczny wysokiej temperatury,<br />
która obniżyła granicę plastyczności<br />
stali i spowodowała wyboczenie<br />
słupów w warunkach pełzania<br />
1. Pożar paliwa powoduje wzrost temperatury<br />
do ok. 800C<br />
2. Lepkoplastyczne wyboczenie słupów na<br />
krytycznej kondygnacji<br />
3. Połowa słupów przestaje przenosić ciężar<br />
części budynku powyżej<br />
4. Część ta spada na niższy strop z rosnącą<br />
energią kinetyczną, uderzenie stanowi<br />
obciążenie dynamiczne, którego kontrukcja<br />
poniżej nie jest w stanie przenieść -<br />
zniszczeniu ulegają węzły kratownic<br />
nośnych stropów i postępuje wyboczenie<br />
słupów<br />
5. Górna część wieży stopniowo zapada się,<br />
gdy rośnie jej masa i energia<br />
Szacunkowe obliczenia energetyczne<br />
dają współczynnik przeciążenia<br />
Pdyn/mg = 30 − 60.<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Odpowiedź wież World Trade Center na obciążenie<br />
wyjątkowe [8]<br />
Uproszczony model dynamiczny (110 elementow belkowych) z masami skupionymi (ciężar stropów<br />
33 MN), sztywność na zginanie i ścinanie określona na podstawie modelu ramy przestrzennej, 3%<br />
tłumienie Rayleigha.<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Wyniki dla uproszczonego modelu dynamicznego<br />
Przemieszczenia i siły w momencie uderzenia nie przekroczyły<br />
wynikających z projektowanego obciążenia wiatrem, dlatego wieże<br />
przetrzymały początkowo obciążenie wyjątkowe.<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Model <strong>MES</strong> do oceny szczegółowej zniszczeń - LS-DYNA<br />
Model strefy uderzenia i samolotu o masie 140 ton,<br />
materiał sprężysto-plastyczny.<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Model krytycznego segmentu - wyniki<br />
Siły osiowe w słupach zewnętrznych przed i po uderzeniu<br />
Redystrybucja obciążeń pionowych po uderzeniu, zniszczonych 122/113<br />
słupów odpowiednio dla WTC1/WTC2, granica plastyczności osiągana w<br />
pozostałych słupach, pozytywny wpływ stężeń szczytowych.<br />
Metody komputerowe, studia II st.
Literatura<br />
[1] G. Rakowski, Z. Kacprzyk. Metoda elementow skończonych w mechanice kostrukcji.<br />
Oficyna Wyd. PW, Warszawa, 2005.<br />
[2] M. Radwańska. Ustroje powierzchniowe, podstawy teoretyczne oraz rozwiązania<br />
analityczne i numeryczne. Wydawnictwo PK, Kraków, 2009.<br />
[3] Z. Waszczyszyn, C. Cichoń, M. Radwańska. Stability of Structures by Finite<br />
Elements Methods. Elsevier, 1994.<br />
[4] M. Bera. <strong>Analiza</strong> utraty stateczności wybranych tarcz i <strong>powłok</strong> sprężystych metodą<br />
elementów skończonych. Praca dyplomowa, Politechnika Krakowska, Kraków, 2006.<br />
[5] M. Radwańska, E. Pabisek. Zastosowanie systemu metody elementów skończonych<br />
ANKA do analizy statyki i <strong>wyboczenia</strong> ustrojów powierzchniowych. Pomoc dydaktyczna PK,<br />
Kraków 1996.<br />
[6] Z. Waszczyszyn, E. Pabisek, J. Pamin, M. Radwańska. Nonlinear analysis of a RC<br />
cooling tower with geometrical imperfections and a technological cut-out. Engineering<br />
Structures, 2, 480-489, 2000.<br />
[7] Z.P. Bazant, Y. Zhou. Why Did the World Trade Center Collapse? - Simple Analysis.<br />
ASCE J. Eng. Mech., 128, 2-6, 2002.<br />
[8] Y. Omika, E. Fukuzawa, N. Koshika, H. Morikawa, R. Fukuda. Structural<br />
Responses of World Trade Center Collapse under Aircraft Attacks. ASCE J. Eng. Mech.,<br />
131, 6-15, 2005.<br />
Metody komputerowe, studia II st.