03.06.2013 Views

Analiza płyt i powłok MES Zagadnienie wyboczenia

Analiza płyt i powłok MES Zagadnienie wyboczenia

Analiza płyt i powłok MES Zagadnienie wyboczenia

SHOW MORE
SHOW LESS

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.

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!