Лекция 12

РАСЧЕТ СООРУЖЕНИЙ ДИСКРЕТНЫМ МЕТОДОМ

1. Континуальный и дискретный подходы в механике

В механике существуют два разных взгляда на объект исследования: континуальный и дискретный подходы. Континуальный подход (по-латыни continuum – непрерывный, сплошной) основан на рассмотрении сооружения как непрерывной системы, состоящей из бесконечного числа элементов. Такой подход позволяет определять напряженно-деформированное состояние (НДС) системы во всех ее точках. Однако для этого необходимо составлять и решать системы дифференциальных уравнений в частных производных. Например, в теории упругости составляется система уравнений, состоящая из уравнений равновесия, совместности деформаций и физических уравнений.

Дискретный подход (по-латыни discretus – прерывистый, состоящий из отдельных частей) основан на изучении НДС сооружения только в отдельных точках. Количество и место этих точек устанавливается расчетчиком. При дискретном подходе рассматриваются элементы расчетной схемы конечного размера (например, отдельные стержни) и изучаются условия равновесия, внутренние усилия, деформации и перемещения лишь отдельных точек системы. Такой подход приводит к уравнениям – аналогам уравнений континуального подхода. Но эти уравнения бывают алгебраическими, и поэтому более простыми для решения.

В последние годы дискретные методы расчета сооружений начали широко применяться. Их преимущество состоит в матричном представлении статических, геометрических и физических свойств сооружения, проведении расчета различных по форме и сложности сооружений по единым методикам и алгоритмам на компьютере.

Общая схема расчета сооружений дискретным методом

2. Дискретная модель стержневой системы

Выбор дискретной расчетной модели стержневой системы начинается с разбиения расчетной схемы на элементы − на стержни постоянного сечения. В плоской стержневой системе эти элементы могут соединяться в шарнирном или жестком узлах:

шарнирный узел жесткий узел

Здесь u1, u2, u3 – независимые перемещения узла (u1, u2 – линейные

перемещения, u3 – угловое перемещение). У шарнирного узла число

независимых перемещений равно двум, а у жесткого – трем. Они называются степенями свободы узла.

u

uu

1

2

3

u

u1

2

Общее число степеней свободы дискретной модели определяется суммой чисел степеней свободы отдельных узлов. Если обозначить его через n, а все перемещения узлов пронумеровать рядом натуральных чисел от 1 до n и объединить в единый вектор, получим

1 2 .u nu u u

Он называется вектором перемещений дискретной модели.

Если в расчетной схеме имеются стержни переменного сечения, их следует представить в виде нескольких стержней постоянного сечения, а в места скачков сечения необходимо вводить узлы. В системах с криволинейными стержнями (в арках, кольцах и др.) криволинейные элементы следует заменить ломаной фигурой – многоугольником.

В дискретном методе нагрузка может быть приложена только в узлах. Однако в расчетной схеме нагрузка может быть и распределенной, и приложенной в виде сосредоточенных сил в точках, не совпадающих с узлами. Такие нагрузки следует переносить

в соседние узлы как узловые силы Pi, действующие в направлении

степеней свободы дискретной модели ui. В результате этого

формируется вектор внешней нагрузки .P 1 2 nP P P

Внутренние усилия и деформации, которые требуется определить, также собираются в отдельные вектора

,S 1 2 mS S S

,Δ 1 2 mΔ Δ Δ

где S – вектор усилий, Δ – вектор деформаций, m – число усилий.

Внешнюю нагрузку в узлы можно переносить по-разному. В качестве примера рассмотрим три варианта переноса распределенной нагрузки q, действующей на балку, в узел расчетной модели, введенной в середине этой балки:

а) Статически эквивалентный перенос Поделим балку на два участка, а распределенную в них нагрузку

учтем как давления ql/4 на концы участков балки. Объединив две силы в середине балки, получим статически эквивалентную нагрузку, приложенную в середине балки:

.l l l

P q q q 0,5ql4 4 2

б) Перенос с сохранением энергии Решение этой задачи подробно рассматривать не будем. Отметим только, что для этого необходимо приравнять энергии рассматриваемой балки и балки с сосредоточенной силой. В этом случае получается «точный» результат:

.2ql

P 0,637 ql

в) Перенос по таблице метода перемещений Для этого следует исключить перемещения узла введением дополнительных связей и по таблице метода перемещений определить возникающие реакции во введенных связях. Если эти реакции сложить и приложить в обратном направлении, получим величину эквивалентной нагрузки:

.5 5 5

P ql ql ql 0,625ql16 16 8

Теперь сравним три варианта расчета:•вариант б дает точный результат, но он сложен для реализации; •вариант а наиболее прост, но дает неточный результат;•поэтому в дальнейшем будем пользоваться вариантом в.

В качестве примера рассмотрим раму и ее расчетную модель. Для переноса нагрузок P и q в двух элементах рамы в узлы

расчетной модели воспользуемся таблицей метода перемещений:

3. Уравнения дискретного метода. Уравнение равновесия

Система уравнений, составляемая в дискретном методе, называется полной системой уравнений строительной механики. В нее входят три уравнения – уравнение равновесия (статики), геометрическое уравнение и физическое уравнение. Составление уравнения равновесия основано на следующем рассуждении. Если сооружение находится в равновесии, то ее дискретная модель также находится в равновесии. Следовательно, и отдельные элементы и узлы дискретной модели тоже находятся в равновесии. В качестве примера рассмотрим ферму:

Выделим два элемента (стержня) фермы и введем три узла. Тогда, получим дискретную модель фермы:

Тогда, вырезая узел 1, можно составить два уравнения равновесия узла как суммы проекций всех сил на направления перемещений узла u1 и u2:

1 21 1 ,u N cos N cos P 0

1 22 2 .u N sin N sin P 0

Представим эти уравнения в матричной форме:

.1

1

22

Pcos cos N 0

Psin sin 0N

Обозначим входящие сюда матрицы и вектора как:

Acos cos

sin sin

S1

2

N

N

P 1

2

P

P

00

0

Тогда получим матричное уравнение

AS P 0

− матрица равновесия

− вектор усилий

− вектор нагрузки

− нуль-вектор

− уравнение равновесия

По матрице A можно установить некоторые особенности расчетной модели. Возможны три случая. 1. n = m (A – квадратная матрица размерности nxn). Если

определитель матрицы A не равняется нулю (detA0), расчетная модель сооружения статически определима и геометрически неизменяема. В этом случае усилия определяются непосредственно из уравнения:

.1S A PРассмотренная нами ферма является именно такой (n=m=2).

2. n m. В этом случае система статически неопределима, а число m–n определяет степень ее статической неопределимости. Если ранг матрицы A равняется n, то такая система геометрически неизменяема.

3. n m. Такая система геометрически изменяема.