Dinamička analiza skeletnih zgrada sa polukrutim vezama Špiro L. Gopčević dipl.inž.građ Kontakt: e-mail:sgopcevic@yahoo.com Šta je cilj rada ? Izrada računarskog programa Analiza uticaja krutosti i ekscentričnosti veza u čvorovima na dinamičko ponašanje čeličnih skeletnih zgrada Kako se došlo do cilja ? Modeliranje Matematički model OOM Objektno orijentisani model OOP + OOL Računarski program OOM (engl. Object oriented modeling) – predstavlja način razmišljanja o problemu i kreira se apstraktni model podataka OOP (engl. Object oriented programming) – predstavlja tehniku realizacije objektno orijentisanog modela OOL (engl. object orented language) – poseduju koncepte OOP-a i omogućavaju uobličavanje objektnog modela u računarski program Agenda Modeliranje veza: polukrutih i ekscentričnih Matrica krutosti na savijanje štapa Modeliranje konstrukcije:klasični trodimenzionalni i pseudotrodimenzionalni model Matrica krutosti makroelementa i matrica krutosti peudotrodimenzionalnog modela DJ kretanja pseudotrodimenzionalnog modela Opterećenje konstrukcije Program ELAN Parametarska analiza Modeliranje polukrute veze Veze koje po svome ponašanju predstavljaju prelaz između zglobnih i krutih veza su polukrute veze Veze izložene momentima savijanja, torzije, transferzalnih i normalnih sila Najveći uticaj na relativno obrtanje veze imaju momenati savijanja Modeliranje polukrute veze Funkcija M-θ za različite tipove veza (M – momenat savijanja, θ – relativno obrtanje na mestu veze) Modeliranje polukrute veze Matematičke funkcije M-θ koje opisuju polukrutu vezu za monotono rastuće opterećenje (k – koeficijent rotacione krutosti k=ΔM/Δθ) Modeliranje ekscentrične veze Uticaj izražen kod veza ostvarenih preko čvornih limova Odnos e/l kod: rešetkastih nosača – 20% ramovskih sistema - 5% Određivanje matrice krutosti na savijanje štapa u ravni Matematičko modeliranje polukrutih i ekscentričnih veza primenom korektivne matrice Prostorno naponsko stanje štapa, u okviru linearne analize, može da se razdvoji na: aksijalno naprezanje, torziju i savijanje u dve ortogonalne ravni i predstavljaju četiri nezavisna problema. Korektivna matrica ima uticaja samo na članove matrice krutosti elementa koji se odnose na savijanje. Određivanje matrice krutosti na savijanje štapa u ravni Štap u ravni tipa k sa polukrutim i ekscentričnim vezama Nedeformisani štap Deformisani štap Vektor generalisanih pomeranja na krajevima štapa qT =[v1 ϕ1 v2 ϕ2] T Vektor generalisanih pomeranja u čvorovima sistema q = [v1 ϕ1 v2 ϕ2 ] Određivanje matrice krutosti na savijanje štapa u ravni Jednačina deformacione linije štapa v(x) v(x) Veza Polukruta i centrična N(x)(I − G)q Kruta i ekscentrična N ( x )(I + zE)q Polukruta i ekscentrična N ( x )(I − G )(I + zE) q N(x) – Hermite-ovi polinomi prve vrste Određivanje matrice krutosti na savijanje štapa u ravni Korektivna matrica štapa tipa k za uticaje polukrute veze ⎤ ⎡ 6 ⎥ ⎢ 6 g1 1 2 4 1 3 1 2 2 ( + g ) g ( + g ) − g ( + g ) g 2 1 2 1 2 1 ⎥ 1⎢ l G= ⎢ l ⎥ 0 0 0 0 Δ⎢ ⎥ 6g 6 ⎢ 2 ( 1 + 2 g1 ) 2g 2 − g 2( 1 + 2 g1 ) 4 g 2( 1 + 3 g1 )⎥ l ⎦ ⎣ l 0 0 0 0 EI gi = lki Bezdimenziona lna rotaciona krutost opruge Korektivna matrica štapa tipa k za uticaje ekscentr. veze ⎡0 ⎢0 E= ⎢ ⎢0 ⎢ ⎣0 e1 0 0 ⎤ 0 0 0 ⎥⎥ 0 0 − e2 ⎥ ⎥ 0 0 0 ⎦ Određivanje matrice krutosti na savijanje štapa u ravni Deformacioni rad štapa sa polukrutim i ekscentričnim vezama 2 l ⎧ 1 ⎪ 2 2 ′ ′ [ ] + + A = EI v ( x ) dx k θ k θ ⎨ 1 1 2 2 ∫0 2 ⎪ ⎩ Potencijalna energija Potencijalna energija elastične deformacije 1 T A = q Kq 2 rotacionih opruga ⎫⎪ ⎬ ⎪⎭ Određivanje matrice krutosti na savijanje štapa u ravni Matrica krutosti štapa na savijanje sa polukrutim i ekscentričnim vezama T ˆ ˆ K=(I +G1) K0(I +G1) +G SG T Ko – matrica krutosti štapa sa krutim i centričnim vezama ˆ = G(I + zE) G G 1 = ( −G + zE − zGE) ⎡0 ⎢0 S = ⎢ ⎢0 ⎢ ⎣0 0 k1 0 0 0 0 0 0 0 ⎤ 0 ⎥⎥ 0 ⎥ ⎥ k2⎦ Kako modeliramo konstrukciju Dva modela fizičkog sistema: Klasični trodimenzionalni model (diskretizacija sistema) Pseudo trodimenzionalni model Klasični trodimenzionalni model Statički model K – matrica krutosti sistema Dinamički model M=diag(mi) – matrica masa sistema Pseudotrodimenzionalni model Analizu zgrada kod horizontalnog opterećenja (seizmika, vetar, eksplozije) Model je diskretan Upotrebljiv za zgrade sa simetričnom i nesimetričnom osnovom Pseudotrodimenzionalni model Elementi modela Tavanice beskonačno krute u svojim ravnima Makroelementi poseduju krutost samo u svojim ravnima Matrica krutosti makroel. K i = D i−1 =Di-1 Fizičko značenje elemenata matrice fleksibilnosti ⎡ d11,i ⎢d ⎢ 21,i ⎢ Di = ⎢ ⎢ d j1,i ⎢ ⎢ ⎢⎣dN1,i d12,i … d1 j,i … d1N,i ⎤ d22,i … d2 j,i … d2N,i ⎥⎥ ⎥ ⎥ d j 2,i … d jj,i d jN,i ⎥ ⎥ ⎥ dN2,i … dNj,i … dNN,i⎥⎦ Matrica krutosti pseudotrodimenzionalnog modela K = M ∑ K i 1 K i = A Ti K i A i A i = diag ( Ai ), i = 1,..., N Ai = [cosαi sinαi hi ] Koordinatni sistem 1 Parametri pomeranja tavanice ⎡u j ⎤ ⎢ ⎥ q j = ⎢v j ⎥ ⎢ϕ j ⎥ ⎣ ⎦ uij = Aiq j Pseudotrodimenzionalni model Dinamički model M=diag(mi) DJ kretanja neprigušenih oscil. pseudotrodimenzionalnog modela Koordinatni sistem 2 Mδ + K S δ = Q S (t ) K = T T KT S T=diag(Tj) Ysj ⎤ ⎡1 T j = ⎢⎢ 1 − X sj ⎥⎥ ⎢⎣ 1 ⎥⎦ [ δT = δ1T Koordinatni sistem 1 Parametri pomeranja tavanice ⎡ u sj ⎤ ⎢ ⎥ δ j = ⎢ v sj ⎥ ⎢ϕ sj ⎥ ⎣ ⎦ … δTj … δTN q j = T jδ j ] DJ kretanja prigušenih oscilacija Matrica prigušenja: C=αM+βK (α, β parametri prigušenja) Procenu parametara prigušenja u domenu linearne analize moguće je odrediti primenom principa modalne superpozicije ξi = ξ ,ωi = ω1 2ξω1ωn ⎞ ξi = ξ ,ωi = ωn 1⎛ α α= ξ i = ⎜⎜ + βω i ⎟⎟ 2 ⎝ ωi ωn + ω1 ⎠ M q + C q + Kq = Q 2ξ β= ω n + ω1 Opterećenje konstrukcije Spoljašnja dinamička sila Seizmičko opterećenje Akcelelogram Vremenska funkcija opterećenja 3,5 3 g(t) 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 1 2 3 t 4 5 Projektni spektar pseudoubrzanja Si 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 Mq +Cq + Kq= f( s )g( t ) Mqr +Cqr +Kqr = −MBa( t ) Kqi max = MΦiΦTi MbS pai -seizmički koeficijent T 4 Rešavanje jednačina i proračun uticaja Kompletan vremenski tok odgovora Direktna numerička integracija – Alfa postupak Alternativa integralu konvolucije Maksimalne i ekstremne vrednosti uticaja Spektralna modalna analiza kod seizmičkog opterećenja SRSS (Square Root of Sum of Squares) CQC (Complete Quadratic Combination). Program ELAN Modeliranje Objektno orijentisani model Matematički model -Matematičke jednačine -Podaci u tekstualnom obliku ... OOM Strukturni model (dijagrami klasa) korišćenjem UML-a Računarski program OOL OOP -Računarski kod u C++ - program ELAN -160 fajlova -cca 22000 linija koda -Služi za statički i dinamički proračun konstrukcija Program ELAN Organizacija ulaznog fajla GLOBAL CONTROL VARIABLE PSEUDO3D< If tModel=PSEUDO3D > SUBMODEL<If tModel=PSEUDO3D then 1..numDiffME else 1> MODEL CONTROL BLOCK STRUCTURE OF STIFFNES MATRIX FOR MACROELEMENT<If tModel=PSEUDO3D OR tModel=MACRO> JOINTS<1...numNodes > MATERIALS<1…numMaterials > SECTIONS<1...numSections > FINITE ELEMENTS<1…numFE > NODE LOADS FORCETH LOADS ACCELERATIONS SPECTRUM Parametarska analiza Dijagrami za analizu: Koeficijent krutosti - Normalizovani uticaj ( Kk-u(Nk) ) u Kk 1 Kk = u ( Nk ) = 3EI u Kk =1 1+ lk Koeficijent ekscentričnosti - Normalizovani uticaj ( Ke-u(Ne) lk Ke = l Pomeranje - vreme u( Ne ) = uKe uKe=0 Parametarska analiza Model konstrukcije Simetričan ram u ravni 2DS Nesimetričan ram u prostoru 3DN Parametarska analiza Opterećenje konstrukcije Akcelelogram zemljotresa EL Centro (AElc) Normalizovane krive spektra pseudoubrzanja 1,5 1,2 1 1 0,5 0,8 0 -0,5 0 2 4 6 8 10 12 S p a [m /s /s ] a (m /s /s ) SEc1 SEc2 0,6 SYu 0,4 Sc 0,2 -1 0 0 -1,5 t[sec] 1 2 3 T[sec] 4 5 Analiza dinamičkih osobina konstrukcije 1,0 1,0 0,9 Omega1 0,8 Omega2 0,7 Omega3 0,6 Omega4 0,5 Omega5 0,4 Omega(Nk) Omega(Nk) 0,9 Omega 1 0,8 Omega 3 0,7 Omega 4 0,6 Omega 2 0,5 Omega 5 0,4 0,3 0,3 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,1 0,2 0,3 Kk 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Kk 1,25 1,25 1,20 1,20 Kk=0,1 1,15 Kk=0,5 1,10 Kk=1,0 1,05 Omega(Ne) Omega1(Ne) Uticaj krutosti veze na normalizovane kružne frekvencije kod a) 2DS b) 3DN Kk=0.1 1,15 Kk=0.5 1,10 Kk=1.0 1,05 1,00 1,00 0 0,02 0,04 0,06 Ke a) 0,08 0,1 0 0,02 0,04 0,06 Ke b) 0,08 0,1 Uticaj eksc. veze na prvu norm. kruž. frek. za različite krutosti kod a) 2DS b) 3DN -0,10 -0,08 -0,06 -0,04 -0,02 10 10 9 9 8 8 7 7 6 Kk=0.1 5 Kk=0.5 4 Kk=1 Sprat Sprat Analiza dinamičkih osobina konstrukcije 6 Kk=0.1 5 Kk=0.5 4 Kk=1.0 3 3 2 2 1 1 0 0,00 Uticaj koeficijenta krutosti na horizontalna pomeranja u prvom modu za 2DS -0,10 -0,05 0 0,00 0,05 0,10 Uticaj koeficijenta krutosti na horizontalna pomeranja u drugom modu za 2DS Analiza seizmičkog odgovora konstrukcije 9 9 8 8 7 U(Nk) 7 U1 6 5 U11 U(Nk) 10 U19 4 6 U1 5 U11 4 U19 3 3 2 2 1 1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,1 1,0 0,2 0,3 0,4 0,5 Kk a 10 10 9 9 8 8 U11 U19 4 U9 U19 4 3 2 1 1 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,4 0,5 0,6 Kk 1,0 U1 2 0,3 0,9 6 5 3 0,2 0,8 7 U(Nk) U(Nk) U1 6 5 0,1 0,7 b 7 0,7 0,8 0,9 1,0 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 Kk c d Uticaj krutosti veze na normalizovane vrednosti pomeranja čvorova kod 2DS u pravcu X usled a) SEc1 b) SEc2 c) SYu d)SC 0,6 Kk Analiza seizmičkog odgovora konstrukcije 10 10 9 9 8 8 U1 6 5 U11 U19 4 7 (U)Nk U(Nk) 7 U1 6 5 U11 U19 4 3 3 2 2 1 1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Kk a 10 10 9 9 8 8 U1 6 5 0,8 0,9 1,0 U11 U19 4 7 U(Nk) U(Nk) 0,7 b 7 U1 6 5 U11 U19 4 3 3 2 2 1 1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,1 0,2 0,3 0,4 c 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Kk Kk 0,6 Kk d Uticaj krutosti veze na normalizovane ekstremne vrednosti pomeranja čvorova kod 3DN u pravcu X usled a) SEc1 b) SEc2 c) SYu d)SC Analiza seizmičkog odgovora konstrukcije 1,00 1,00 0,95 0,95 0,90 Kk=0.1 0,85 Kk=0,5 0,80 Kk=1,0 U1(Ne) U1(Ne) 0,90 Kk=0,5 0,80 0,75 0,75 0,70 0,70 0,65 Kk=0.1 0,85 Kk=1,0 0,65 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0 0,02 0,04 Ke a 1,00 1 0,95 0,95 Kk=0.1 0,85 Kk=0.5 0,80 Kk=1.0 0,75 U1(Ne) U1(Nk) 0,08 0,1 b 0,9 0,90 0,65 0,06 0,08 0,1 Kk=1.0 0,75 0,7 0,04 Kk=0.5 0,8 0,65 0,02 Kk=0.1 0,85 0,70 0 0 0,02 0,04 c 0,06 0,08 0,1 Ke Ke 0,06 Ke d Uticaj ekscentriciteta veze na normalizovana pomeranja čvora U1 kod 2DS usled a) SEc1 b) SEc2 c) SYu d) SC Analiza seizmičkog odgovora konstrukcije 1,00 1,00 0,95 0,95 0,90 Kk=0.1 0,85 Kk=0.5 0,80 Kk=1.0 (U1)Ne U1(Ne) 0,90 Kk=0.1 0,85 Kk=0.5 0,80 0,75 0,75 0,70 0,70 Kk=1.0 0,65 0,65 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0 0,1 0,02 0,04 Ke a 1,00 1,00 0,95 0,95 0,1 0,90 Kk=0.1 0,85 Kk=0.5 0,80 Kk=1 U1(Ne) U1(Ne) 0,08 b 0,90 Kk=0.1 0,85 Kk=0.5 0,80 0,75 0,75 0,70 0,70 Kk=1.0 0,65 0,65 0 0,02 0,04 0,06 Ke 0,08 0,1 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Ke c d Uticaj ekscentriciteta veze na normalizovane ekstremne vrednosti pomeranja čvora U1 kod 3DN u pravcu X usled a) SEc1 b) SEc2 c) SYu d) SC 0,06 Ke 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 T M 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 F(Nk) F(Nk) Analiza seizmičkog odgovora konstrukcije 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 1,0 T M 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Kk a 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 T M 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Kk 0,8 0,9 1,0 0,7 0,8 0,9 1,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 T M ss 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Kk c d Uticaj krutosti veze na normalizovane vrednosti presečnih sila kod 2DS usled a) SEc1 b) SEc2 c) SYu d) SC 0,7 b F(Nk) F(Nk) 0,6 Kk Analiza seizmičkog odgovora konstrukcije 2,50 2,50 2,25 2,25 2,00 2,00 1,75 T2 1,50 1,25 M3 (F)Nk F(Nk) 1,75 1,00 1,00 0,75 0,75 0,50 0,50 0,25 T2 1,50 1,25 M3 0,25 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Kk a 2,50 2,50 2,25 2,25 2,00 2,00 0,8 0,9 1 1,75 T2 1,50 1,25 M3 F(Nk) F(Nk) 0,7 b 1,75 T2 1,50 1,25 1,00 1,00 0,75 0,75 0,50 0,50 M3 0,25 0,25 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Kk 0,7 0,8 0,9 1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Kk d c Uticaj krutosti veze na normalizovane ekstremne vrednosti presečnih sila kod 3DN usled a) SEc1 b) SEc2 c) SYu d) SC 0,6 Kk Analiza seizmičkog odgovora konstrukcije Vremenski odgovor 2DS usled SElC Vremenski odgovor 3DN usled SElC 0.2 0.20 0.15 0.15 0.1 0.10 0.05 Kk=0.1 0 Kk=0.5 -0.05 0 1 2 3 4 5 6 Kk=1.0 0.05 U1 [m ] U1 [m] -0.05 0.00 1.00 2.00 3.00 -0.10 -0.1 -0.15 -0.15 -0.20 -0.2 -0.25 t[sec] Kk=0.1 0.00 t [sec] 4.00 5.00 6.00 Kk=0.5 Kk=1 Rezime Dinamička linearna analiza prostornih okvirnih čeličnih nosača sa polukrutim i ekscentričnim vezama Polukruta veza modelirana sa rotacionom oprugom Ekscentrična veza modelirana kratkim beskonačno krutim elementom Uticaj polukrute i ekscentrične veze uveden u proračun preko korektivne matrice krutosti i određena je matrica krutosti na savijanje štapa Dva model konstrukcije:klasični trodimenzionalni i pseudotrodimenzionalni Prikazane DJ kretanja Opterećenje konstrukcije i rešavanje jednačina Program ELAN Parametarska analiza Hvala na pažnji
© Copyright 2024 Paperzz