HYPERSTAATTISET RAKENTEET

Samankaltaiset tiedostot
Rakenteiden mekaniikka TF00BO01, 5op

Tasokehät. Kuva. Sauvojen alapuolet merkittyinä.

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

SUORAN PALKIN TAIVUTUS

2 SUORA SAUVA ja PALKKI Suoran sauvan puhdas veto tai puristus Suoran palkin taivutus Harjoitustehtäviä 71

RASITUSKUVIOT. Kuvioiden laatimisen tehostamiseksi kannattaa rasitukset poikkileikkauksissa laskea seuraavassa esitetyllä tavalla:

MUODONMUUTOKSET. Lähtöotaksumat:

10 knm mm 1000 (a) Kuva 1. Tasokehä ja sen elementtiverkko.

SUORAN PALKIN RASITUKSET

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

RASITUSKUVIOT (jatkuu)

Laskuharjoitus 7 Ratkaisut

Harjoitus 7. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001: Statiikka L5 Luento : Palkin normaali- ja leikkausvoima sekä taivutusmomentti

KJR-C1001: Statiikka L3 Luento : Jäykän kappaleen tasapaino

OSIITAIN JA YKKIEN LIITOSTEN V AIKUTUS PORTAALIKEHAN VOI MASUUREISIIN. Rakenteiden Mekaniikka, Vol.27 No.3, 1994, s

Analysoidaan lämpöjännitysten, jännityskeskittymien, plastisten muodonmuutosten ja jäännösjännityksien vaikutus

Tukilaitteet

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

PALKIN KIMMOVIIVA M EI. Kaarevuudelle saatiin aiemmin. Matematiikassa esitetään kaarevuudelle v. 1 v

STATIIKKA. TF00BN89 5op

Harjoitus 4. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016. Tehtävä 1 Selitä käsitteet kohdissa a) ja b) sekä laske c) kohdan tehtävä.

YEISTÄ KOKONAISUUS. 1 Rakennemalli. 1.1 Rungon päämitat

RISTIKKO. Määritelmä:

TAVOITTEET Määrittää taivutuksen normaalijännitykset Miten määritetään leikkaus- ja taivutusmomenttijakaumat

KANTAVUUSTAULUKOT (EN mukaan) Kantavat poimulevyt W-70/900 W-115/750 W-155/840

3. SUUNNITTELUPERUSTEET

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 07: Aksiaalinen sauvaelementti, osa 2.

Muutama huomio momenttimenetelmän käytöstä kehärakenteiden analysoinnissa

3. SUUNNITTELUPERUSTEET

1 Kertaus. Lineaarinen optimointitehtävä on muotoa:

Gaussin ja Jordanin eliminointimenetelmä

ARK-A.3000 Rakennetekniikka (4op) Rakenteiden mekaniikka III

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet

RTEK-2000 Statiikan perusteet 4 op

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 6. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 6 () Numeeriset menetelmät / 33

Määritetään vääntökuormitetun sauvan kiertymä kimmoisella kuormitusalueella Tutkitaan staattisesti määräämättömiä vääntösauvoja

Harjoitus 1. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016. Tehtävä 1 Selitä käsitteet kohdissa [a), b)] ja laske c) kohdan tehtävä.

Lineaarinen yhtälöryhmä

HalliPES 1.0 OSA 11: JÄYKISTYS

PUHDAS, SUORA TAIVUTUS

Katso lasiseinän rungon päämitat kuvista 01 ja Jäykistys ja staattinen tasapaino

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

8. Yhdistetyt rasitukset

Ax 0 mm Bx mm Cx 1800 Ay 0 mm By mm Cy 0

Mitoitetaan MäkeläAlu Oy:n materiaalivaraston kaksiaukkoinen hyllypalkki.

PUUKERROSTALO. - Stabiliteetti - - NR-ristikkoyläpohjan jäykistys. Tero Lahtela

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Numeeriset menetelmät

SIPOREX-HARKKOSEINÄÄN TUKEUTUVIEN TERÄSPALKKIEN SUUNNITTELUOHJE

Jigi - Käyttöohje. Jigi Ohjelman peruskäyttö. A&S Virtual Systems Oy Laivalahdenkatu 2b FIN Helsinki

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

Mekaanisin liittimin yhdistetyt rakenteet. Vetotangolla vahvistettu palkki

MITOITUSTEHTÄVÄ: I Rakennemallin muodostaminen 1/16

Injektio (1/3) Funktio f on injektio, joss. f (x 1 ) = f (x 2 ) x 1 = x 2 x 1, x 2 D(f )

Tampere University of Technology

Esimerkkilaskelma. Jäykistävä rankaseinä

MYNTINSYRJÄN JALKAPALLOHALLI

RIL263 KAIVANTO-OHJE TUETUN KAIVANNON MITOITUS PETRI TYYNELÄ/RAMBOLL FINLAND OY

NR-RISTIKKO - STABILITEETTITUENTA - Tero Lahtela

w + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1.

1.3 Pilareiden epäkeskisyyksien ja alkukiertymien huomioon ottaminen

( 3) ( 5) ( 7) ( 2) ( 6) ( 4) Pyramidi 3 Analyyttinen geometria tehtävien ratkaisut sivu 105 Päivitetty

ESIMERKKI 3: Märkätilan välipohjapalkki

KJR-C1001: Statiikka L2 Luento : voiman momentti ja voimasysteemit

Numeeriset menetelmät

Rak BETONIRAKENTEIDEN HARJOITUSTYÖ II syksy op.

Laskuharjoitus 2 Ratkaisut

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

7. Suora leikkaus TAVOITTEET 7. Suora leikkaus SISÄLTÖ

a) z 1 + z 2, b) z 1 z 2, c) z 1 z 2, d) z 1 z 2 = 4+10i 4 = 10i 5 = 2i. 4 ( 1)

ESIMERKKI 4: Välipohjan kehäpalkki

VÄLIPOHJA PALKKI MITOITUS 1

KANSALLINEN LIITE STANDARDIIN. SFS-EN EUROKOODI 3: TERÄSRAKENTEIDEN SUUNNITTELU. Osa 1-1: Yleiset säännöt ja rakennuksia koskevat säännöt

Q Q 3. [mm 2 ] 1 1 = L

Vektoreiden virittämä aliavaruus

TERÄSRISTIKON SUUNNITTELU

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Oheismateriaalin käyttö EI sallittua, mutta laskimen käyttö on sallittua Vastaukset tehtäväpaperiin, joka PALAUTETTAVA (vaikka vastaamattomana)!

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

RAK Statiikka 4 op

Matriisilaskenta Luento 8: LU-hajotelma

Suunnitteluharjoitus käsittää rakennuksen runkoon kuuluvien tavanomaisten teräsbetonisten rakenneosien suunnittelun.

RUDUS OY ELEMENTO - PORRASELEMENTIT

3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

Materiaali on lineaarinen, jos konstitutiiviset yhtälöt ovat jännitys- ja muodonmuutostilan suureiden välisiä lineaarisia yhtälöitä.

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

ESIMERKKI 2: Asuinhuoneen välipohjapalkki

ARK-A.3000 Rakennetekniikka (4op) Rakenteiden mekaniikka IV. Hannu Hirsi.

TITAN Megashore -tuentajärjestelmä

Oheismateriaalin käyttö EI sallittua, mutta laskimen käyttö on sallittua Vastaukset tehtäväpaperiin, joka PALAUTETTAVA (vaikka vastaamattomana)!

KJR-C2001 KIINTEÄN AINEEN MEKANIIKAN PERUSTEET, KEVÄT 2018

Tarkastellaan seuraavaksi esimerkkien avulla yhtälöryhmän ratkaisemista käyttäen Gaussin eliminointimenetelmää.

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I, HY Kurssikoe Ratkaisuehdotus. 1. (35 pistettä)

Transkriptio:

HYPERSTAATTISET RAKENTEET Yleistä Sauva ja palkkirakenne on on isostaattinen, jos tasapainoehdot yksin riittävät sen tukireaktioiden ja rasitusten määrittämiseen. Jos näiden voimasuureiden määrittäminen edellyttää muodonmuutosten ja siirtymien yhteensopivuusehtojen käyttämistä, on kyseinen rakenne hyperstaattinen. Jos rakenteen tukireaktioita ei voida määrittää pelkästään tasapainoehtojen avulla, on rakenne ulkoisesti hyperstaattinen. Jos rakenteen rasitusten määrittämiseen eivät tasapainoehdot riitä, on rakenne sisäisesti hyperstaattinen. Hyperstaattisesta rakenteesta käytetään myös sanoja staattisesti määräämätön. Kuvan tasokehä on ulkoisesti kaksi kertaa hyperstaattinen, sillä tukireaktiokomponentteja on 5 ja tasossa on käytettävissä vain 3 tasapainoyhtälöä. Rakenne on sisäisesti kolme kertaa hyperstaattinen, sillä suljettu lenkki tasossa sisältää aina kolme rasitussuuretta ( M, QN, t ), joita ei voi ratkaista tasapainoyhtälöillä. Rakenne on näin yhteensä viidesti hyperstaattinen. 1

Hyperstaattisuuden kertaluvun määrittäminen Kehärakenteen hyperstaattisuuden tunnistamiseen on olemassa eräs yksinkertainen, niin sanottu puumenetelmä. Kuvan tasorakenne muodostaa puun, joka on yhdestä kohdasta jäykästi kiinnitetty, eikä sen haarat muodosta umpinaisia renkaita. Rakenne on haarautuva ulokerakenne ja siten aina isostaattinen. Puumenetelmässä valitaan jokin tuettu kohta puun tyveksi täydentämällä kiinnitystä siten, että siitä tulee jäykkä kiinnitys ja poistetaan kaikkien muiden tukien kiinnitykset. Lopuksi katkaistaan mahdolliset renkaat ja estetään mahdolliset sisäiset liikemahdollisuudet (nivelet, luistit). Alkuperäisestä rakenteesta on näin muodostunut eräs isostaattinen puu. Jos puuta muodostettaessa poistettujen kiinnitysten lkm on n P ja lisättyjen, on alkuperäisen rakenteen hyperstaattisuuden kertaluku n L r n n P L Jos r 0, rakenne on hyperstaattinen, jos r 0, on rakenne isostaattinen ja jos r 0, rakenne on liikkuva. Tasoristikolle hyperstaattisuusehto on 2nsr missä n on nivelten, s sauvojen ja r tukireaktiokomponenttien lkm. (Avaruusristikolle on ehto 3nsr ) 2

VOIMAMENETELMÄ Isostaattinen perusmuoto Voimamenetelmässä rakenteen hyperstaattiset suureet ovat voimasuureita, tukireaktiokomponentteja tai leikkaussuureita (käsittävät myös tukimomentin tai taivutusmomentin muussa kohdassa). Menetelmässä poistetaan niin monta tukisuuretta (tai leikkaussuuretta), että rakenne muuttuu isostaattiseksi. Tämä voidaan periaatteessa tehdä äärettömän monella eri tavalla. Kuvan palkki on tehty isostaattiseksi kolmella eri tavalla poistamalla vuorotellen yksi pystytukireaktioista. Mikä perusmuoto kulloinkin kannattaa laskennassa valita, riippuu tehtävästä. Kuvan rakenne on tällä kertaa tehty isostaattiseksi nivelellä eri kohdissa. Sellaiset isostaattiset perusmuodot ovat käyttökelpoisimpia, joissa kuormituksen aiheuttamat siirtymät ovat helpoiten laskettavissa superpositio periaatetta tai taulukoita käyttäen. Tarkastellaan seuraavaksi hyperstaattisen palkin periaattellista ratkaisemista voimamenetelmällä. 3

Voimamenetelmän perusyhtälöt Tarkastellaan mielivaltaisen kuormituksen rasittamaa kolmitukista palkkia (a). Valitaan isostaattiseksi perusmuodoksi (ISPM) kuvan b palkki, josta on poistettu keskimmäinen tuki B (pystytukireaktio X 1 ). Ulkoinen kuormitus aiheuttaa pisteessä B taipuman 10. Tukireaktion arvo X1 1 aiheuttaa isostaattiselle perusmuodolle taipuman 11, joten tukireaktion X 1 aiheuttama taipuma on X. Pisteen B kokonaistaipuma on 1 11 1 10 X1 11 Huomautus: Tuntemattoman voimasuureen suunta on valittu tarkoituksellisesti samaan suuntaan, johon lasketaan kuormituksen aiheuttamia siirtymiä, että voidaan käyttää samaa 1 voiman suuntaa. Taipuman yhteensopivuus tuen kanssa merkitsee sitä, että taipuma tukipisteessä B on nolla, joten kuormituksen ja tuntemattoman tukireaktion X 1 yhteensä aiheuttama taipuma häviää. Yhteensopivuusehto on siis X josta X 10 1 11 10 1 11 0 X 1 Kun hyperstaattinen suure nyt tunnetaan, muut tukireaktiot saadaan tasapainoehdoista ja rakenteen rasitukset voidaan laskea tavalliseen tapaan. Toinen mahdollisuus on käyttää superpositiota. Esimerkiksi tukireaktio C y C C X C y y0 1 y1 4

Tarkastellaan kuvan nelitukista palkkia, joka kaksi kertaa hyperstaattinen. Valitaan hyperstaattisiksi suureiksi keskimmäiset tukireaktiot X1 ja X2. Palkin ISPM on kuvassa b. Ulkoiset kuormitukset aiheuttavat hyperstaattisten suureiden kohdalle ja suunnassa siirtymät ja 10 20 Hyperstaattinen suureen arvo X1 1 aiheuttaa siirtymät 11 ja 21, joten X 1 aiheuttaa siirtymät X1 11 ja X1 21. Vastaavasti X 2 aiheuttaa siirtymät X ja X. 2 22 2 12 Siirtymät hyperstaattisten suureiden kohdalle saadaan superpositioperiaatteella 1 10 X111 X221 0 X X 0 2 20 1 21 2 22 jotka häviävät tukien kohdalla. Näin on saatu yhtälöryhmä tuntemattomien tukireaktioiden ratkaisemiseksi. Nämä ovat tehtävän yhteensopivuusyhtälöt, joista ratkaistaan tuntemattomat voimasuureet. Jos rakenne on n kertaa hyperstaattinen, voidaan yhteensopivuusehdot kirjoittaa muodossa X1 11 X212... Xn1n 10 X X... X 2 21 2 22 n 2n 20 X X... X n n1 2 n2 n nn n0 5

x x x0 i xi y y0 i yi i=1 i=1 n n x x0 i xi x x0 i xi i=1 i=1 n x x0 i xi i=1 n M M X M C C X C Q Q X Q X N N X N n (Yllä olevissa kaavoissa x viittaa paikkaan palkissa, ei suuntaan.) ESIMERKKI 1 Ratkaise kuvan ulokepäästä tuettu palkki voimamenetelmällä. Määritä ja piirrä rasituskuviot. RATKAISU Kaikki muut suureet voidaan lausua ratkaistujen hyperstaattisten suureiden avulla tasapainoehtoja käyttäen. Toinen mahdollisuus on käyttää superpositioperiaatetta. Rasitukset M x, Qx, Nx, tukireaktio Cy ja taipuma esimerkiksi ovat Valitaan isostaattiseksi perusmuodoksi palkki, josta ulokepään tuki on poistettu. Sen taivutusmomenttipinta on esitetty viereisessä kuvassa. Siirtymän 10 laskemiseksi on ulokepäähän asetettava 1 voima. 6

X Taipuman 10 t1 laskeminen: EI M M x 10 t0 d 4m ( 4 m)( 160 knm) 640 knm 4 Taipuman 11 laskeminen: EI M m t11m t1d x 4 11 ( 4m) 2133, m 3 Yhteensopivuusyhtälö on 10 X111 0 josta ratkaistaan 2 3 3 10 EI knm, kn 10 EI 640, m 30 00 21 33 1 3 11 11 Lasketaan tukireaktiot tasapainoehdoilla: : A x 2 MA 304204 / 2 0 MA 40kNm : A 20430 0 A 50kN y 0 Tulosten perusteella laaditut rasituspinnat on esitetty viereisessä kuvassa. y 7

ESIMERKKI 2 Ratkaise kuvan 2 aukkoinen palkki voimamenetelmällä. Määritä ja piirrä rasituskuviot. Palkin taivutusjäykkyys EI on sama koko palkissa. RATKAISU Valitaan isostaattiseksi perusmuodoksi palkki, josta keskimmäinen tuki on poistettu. Sen taivutusmomenttipinta on esitetty viereisessä kuvassa. Siirtymän 10 laskemiseksi on asetettava 1 voima poistetun tuen kohdalle. Yhteensopivuusyhtälö: 10 X1 11 0 Lasketaan siirtymät L EI M M x 10 0 t t d ja 10 11 62,, 1 242 2,,, knm, 1 355 201 8 688 6 3 62 62, 2 3 EI11 1355, 3794, m 3 EI, knm X, kn EI 3 10 10 688 6, m 1 3 181 5 3 794 11 11 3 8

Lasketaan tukireaktiot Ay ja Cy : A x 0 2 By 62, 4262, / 21815, 20 2 By 71, 65kN Ay 62, 4262, / 2181542,, 0 A 7249, kn ( : 7, 249181, 571, 65426, 2 0, 00) y ESIMERKKI 1 Ratkaise kuvan kehärakenteen hyperstaattiseksi valitsemasi voimasuure. Määritä ja piirrä rasituskuviot. RATKAISU Valitaan isostaattiseksi perusmuodoksi kehä, josta ulokepään B tuki on poistettu. Sen taivutusmomenttipinta on esitetty seuraavalla sivulla. Siirtymien 10 ja 11 laskemiseksi on ulokepäähän asetettava 1 voima. Taivutusmomenttipinta myös tästä on seuraavalla sivulla. 9

Siirtymien laskeminen: 1 10 35, m ( 4 m) ( 36, knm) 2EI 1 18, 2 ( 4m) ( 22, m) ( 36, knm) EI 6 3 EI 36, 216kNm 10 EI 1 11 35, m ( 4 m) 4 ( 4 m) 49333, m 2 3 2 2 3 Yhteensopivuus tuella B 10 10 X1 11 0 X1 0, 7341kN B y 0, 7341kN 11 Rasituskuviot 10

TEHTÄVÄ 1 Ratkaise kuvan 2 aukkoinen palkki voimamenetelmällä. Määritä ja piirrä rasituskuviot. Palkin taivutusjäykkyys EI on sama koko palkissa. RATKAISU V: B 145, 88 kn y TEHTÄVÄ 2 Ratkaise kuvan 2 aukkoinen palkki voimamenetelmällä. Määritä ja piirrä rasituskuviot. Palkin taivutusjäykkyys EI on sama koko palkissa. RATKAISU: 11

TEHTÄVÄ 3 Ratkaise kuvan kehärakenne voimamenetelmällä. Määritä ja piirrä taivutusmomenttikuvio. Yksikköjärj. kn,m RATKAISU V: B 347. kn ( ) x TEHTÄVÄ 4 Ratkaise kuvan kehärakenne voimamenetelmällä. Määritä ja piirrä taivutusmomenttikuvio. Yksikköjärj. kn,m RATKAISU 12