Плоская рама под действием равномерно распределенного мгновенного импульса

Цель: Определение напряженно-деформированного состояния плоской рамы от воздействия равномерно распределенного мгновенного импульса.

Файл с исходными данными: DI_F.SPR

Формулировка задачи: Плоская однопролетная трехъярусная рама, защемленная по стойкам, с равномерно распределенной массой на стойках m1 и ригелях m2 нагружается мгновенным импульсом s равномерно распределенным по контуру нижнего яруса. Определить амплитудные значения изгибающего момента M в ригеле нижнего яруса по сечению сопряжения с левой стойкой при учете следующего допущения, принятого при выводе аналитического решения:

принимается отсутствие линейных перемещений узлов сопряжения стоек с ригелями при симметричном нагружении симметричной расчетной схемы и пренебрежении продольными деформациями элементов конструкции рамы.

Ссылки: И. М. Рабинович, А. П. Синицын, О.В. Лужин, В.М. Теренин, Расчет сооружений на импульсные воздействия, Москва, Стройиздат, 1970, стр. 91;

Б. Г. Коренев, И. М. Рабинович, Динамический расчет зданий и сооружений (Справочник проектировщика), Москва, Стройиздат, 1984, стр. 79.

Исходные данные:

E = 2.1·107 тс/м2 - модуль упругости;
h = 6.0 м - высота стоек рамы;
I1 = 1·10-4 м4 - момент инерции поперечного сечения стоек рамы;
F1 = 2·10-1 м2 - площадь поперечного сечения стоек рамы;
m1 = 0.0204 тс·с2/м2 - значение равномерно распределенной массы на стойках рамы;
l = 5.0 м - длина пролета ригелей рамы;
I2 = 2·10-4 м4 - момент инерции поперечного сечения ригелей рамы;
F2 = 4·10-1 м2 - площадь поперечного сечения ригелей рамы;
m2 = 0.0510 тс·с2/м2 - значение равномерно распределенной массы на ригелях рамы;
s = 0.3· тс∙с/м - значение равномерно распределенного мгновенного импульса;
g = 9.81 м/с2 - значение ускорения свободного падения.

 

Конечноэлементная модель: Расчетная  схема – плоская рама, 102 стержневых элемента типа 2.

Сетка конечных элементов разбита по длинам продольных осей стоек и ригелей рамы с шагом 0.5 м. Обеспечение граничных условий по опорным узлам стоек нижнего яруса достигается за счет наложения связей по направлениям степеней свободы: X, Z, UY. Обеспечение граничных условий в узлах сопряжения стоек с ригелями по допущению, принятому при выводе аналитического решения достигается за счет наложения связей по направлениям степеней свободы: X, Z. Обеспечение граничных условий в узлах середин пролетов  ригелей по допущению, принятому при выводе аналитического решения достигается за счет наложения связей по направлениям степеней свободы: X, UY. Распределенная масса задается преобразованием статической нагрузки на стойках m1·g и ригелях m2·g рамы. Воздействие распределенного мгновенного импульса приводится к ряду узловых воздействий со значениями 0.5·s. Количество узлов в расчетной схеме – 101.

Результаты решения в SCAD:


Расчетная схема


1-я, 2-я, 3-я собственные формы колебаний


7-я, 8-я, 9-я собственные формы колебаний


Амплитудные значения угловых перемещений UYij (рад) в узлах сопряжений ригелей со стойками по 1-й, 2-й, 3-й собственным формам колебаний (модальный анализ)


Амплитудные значения угловых перемещений UYij (рад)
в узлах сопряжений ригелей со стойками по 7-й, 8-й, 9-й собственным формам колебаний (модальный анализ)


Эпюры изгибающих моментов при амплитудных значениях Mi (тс·м) по 1-й, 2-й, 3-й собственным формам колебаний


Эпюры изгибающих моментов при амплитудных значениях Mi (тс·м) по 7-й, 8-й, 9-й собственным формам колебаний


Амплитудные значения изгибающих моментов Mi (тс·м) в ригеле нижнего яруса по сечениям сопряжений со стойками по 1-й, 2-й, 3-й собственным формам колебаний


Амплитудные значения изгибающих моментов Mi (тс·м) в ригеле нижнего яруса по сечениям сопряжений со стойками по 7-й, 8-й, 9-й собственным формам колебаний


Эпюра изгибающих моментов при амплитудных значениях M (тс·м)
от суммарной импульсной нагрузки

 

Амплитудные значения изгибающих моментов M (тс·м)
в ригеле нижнего яруса по сечениям сопряжений со стойками от суммарной импульсной нагрузки

Сравнение решений:

Периоды собственных колебаний T, с

Форма колебаний

Теория

SCAD

Отклонения, %

1

0.060607

0.060607

0.00

2

0.049785

0.049785

0.00

3

0.040435

0.040436

0.00

7

0.030924

0.030925

0.00

8

0.028903

0.028904

0.00

9

0.027787

0.027788

0.00

Амплитудные значения угловых перемещений UYij (рад)
в узлах сопряжений ригелей со стойками по 1-й, 2-й, 3-й, 7-й, 8-й, 9-й собственным формам колебаний (модальный анализ)

Форма колебаний

Ярус

Теория

SCAD

Отклонение, %

1

1

+0.583753

-0.279605 / -0.478978 =

= +0.583753

0.00

1

2

-0.961520

+0.460547 / -0.478978 =

= -0.961520

0.00

1

3

+1.000000

-0.478978 / -0.478978 =

= +1.000000

0.00

2

1

-1.012550

-0.588135 / +0.580845 =

= -1.012551

0.00

2

2

+0.112727

+0.065478 / +0.580845 =

= +0.112729

0.00

2

3

+1.000000

+0.580845 / +0.580845 =

= +1.000000

0.00

3

1

+0.775708

-0.319716 / -0.412155 =

= +0.775718

0.00

3

2

+1.173640

-0.483726 / -0.412155 =

= +1.173651

0.00

3

3

+1.000000

-0.412155 / -0.412155 =

= +1.000000

0.00

7

1

+0.428722

+0.044730 / +0.104309 =

= +0.428822

0.00

7

2

+0.782640

+0.081635 / +0.104309 =

= +0.782627

0.00

7

3

+1.000000

+0.044730 / +0.104309 =

= +1.000000

0.00

8

1

-1.342142

+0.172948 / -0.128856 =

= -1.342180

0.00

8

2

-0,677645

+0.087323 / -0.128856 =

= -0,677679

0.00

8

3

+1.000000

-0.128856 / -0.128856 =

= +1.000000

0.00

9

1

+2.023786

+0.133206 / +0.065817 =

= +2.023884

0.00

9

2

-2.473762

-0.162812 / +0.065817 =

= -2.473707

0.00

9

3

+1.000000

+0.065817 / +0.065817 =

= +1.000000

0.00

 

Амплитудные значения изгибающих моментов Mi (тс·м)
в ригеле нижнего яруса по сечению сопряжения с левой стойкой по 1-й, 2-й, 3-й, 7-й, 8-й, 9-й собственным формам колебаний

Форма колебаний

Теория

SCAD

Отклонения, %

1

+0.629

-0.629

0.00

2

-3.931

+3.930

0.03

3

-10.611

+10.610

0.01

7

+19.939

-19.941

0.01

8

+86.385

-86.385

0.00

9

+53.755

-53.759

0.01

 

Параметр

Теория

SCAD

Отклонения, %

Амплитудные значения изгибающего момента M в ригеле нижнего яруса по сечению сопряжения с левой стойкой от суммарной импульсной нагрузки, тс·м

+165.576

(+173.075)

+175.241

5.84

(1.25)

 

Теоретическое значение изгибающего момента в ригеле соответствует моменту времени t = 0.036 с от начала воздействия импульсной нагрузки;
В скобках приведено теоретическое значение изгибающего момента в ригеле, определенное с учетом сдвига фаз гармоник.

Замечания: При аналитическом решении периоды собственных колебаний T, амплитудные значения угловых перемещений UYij в узлах сопряжений ригелей со стойками при модальном анализе, амплитудные значения изгибающих моментов в ригеле нижнего яруса по сечению сопряжения с левой стойкой по собственным формам колебаний Mi и от суммарной импульсной нагрузки M определяются по формулам:

\[ T_{i} =\frac{2\cdot \pi }{\omega_{i} }; \quad \omega_{i} =\frac{\lambda_{i}^{2}}{h^{2}}\cdot \sqrt {\frac{E\cdot I_{1} }{m_{1} }} ; \]

λi – определяются из выражения:

\[ \left\{ 4\cdot \left[ {ch( \lambda )\cdot \sin ( \lambda )-sh( \lambda)\cdot \cos ( \lambda )} \right]^{3}-3\cdot \left[ {sh( \lambda)-\sin ( \lambda)} \right]^{2}\cdot \left[ {ch( \lambda)\cdot \sin ( \lambda)-sh( \lambda )\cdot \cos ( \lambda )} \right] \right\} / {\left[ {1-ch( \lambda)\cdot \cos( \lambda)} \right]^{3}}+ \] \[ +\beta^{2}\cdot \alpha^{2}\cdot \left\{ {5\cdot \left[ {ch( \lambda )\cdot \sin ( \lambda )-sh( \lambda )\cdot \cos ( \lambda )} \right]\cdot \left[ {ch( {\alpha \cdot \lambda } )\cdot \sin ( {\alpha \cdot \lambda } )-sh( {\alpha \cdot \lambda } )\cdot \cos ( {\alpha \cdot \lambda } } \right]^{2}} \right.+ \] \[ +5\cdot \left[ {sh\left( {\alpha \cdot \lambda } \right)-\sin \left( {\alpha \cdot \lambda } \right)} \right]^{2}\cdot \left[ {ch\left( \lambda \right)\cdot \sin \left( \lambda \right)-sh\left( \lambda \right)\cdot \cos \left( \lambda \right)} \right]- \] \[ \left. -10\cdot \left[ sh( {\alpha \cdot \lambda } )-\sin ( {\alpha \cdot \lambda } ) \right]\cdot \left[ ch( \lambda )\cdot \sin ( \lambda )-sh( \lambda )\cdot \cos ( \lambda ) \right]\cdot \left[ ch( {\alpha \cdot \lambda } )\cdot \sin ( {\alpha \cdot \lambda } )-sh( {\alpha \cdot \lambda } )\cdot \cos ( {\alpha \cdot \lambda } ) \right] \right\} / \] \[ / \left\{ \left[ {1-ch( \lambda )\cdot \cos ( \lambda )} \right]\cdot \left[ 1-ch( {\alpha \cdot \lambda )\cdot \cos ( \alpha \cdot \lambda )} \right]^{2} \right\}+ \] \[ +\beta\cdot \alpha\cdot \left\{ {8\cdot \left[ {ch( \lambda )\cdot \sin ( \lambda )-sh( \lambda )\cdot \cos ( \lambda )} \right]^2\cdot \left[ {ch( {\alpha \cdot \lambda } )\cdot \sin ( {\alpha \cdot \lambda } )-sh( {\alpha \cdot \lambda } )\cdot \cos ( {\alpha \cdot \lambda } } \right]} \right.- \] \[ -8\cdot \left[ {sh\left( {\alpha \cdot \lambda } \right)-\sin \left( {\alpha \cdot \lambda } \right)} \right]\cdot \left[ {ch\left( \lambda \right)\cdot \sin \left( \lambda \right)-sh\left( \lambda \right)\cdot \cos \left( \lambda \right)} \right]^{2}- \] \[ \left. -2\cdot \left[ sh( \lambda )-\sin ( \lambda ) \right]^{2}\cdot \left[ ch( {\alpha \cdot \lambda } )\cdot \sin ( {\alpha \cdot \lambda } )-sh( {\alpha \cdot \lambda } )\cdot \cos ( {\alpha \cdot \lambda } ) \right]+2\cdot \left[ sh( \lambda )-\sin ( \lambda ) \right]^{2}\cdot \left[ sh( {\alpha \cdot \lambda } )-\sin (\alpha \cdot \lambda) \right] \right\} / \] \[ / \left\{ \left[ {1-ch( \lambda )\cdot \cos ( \lambda )} \right]^{2}\cdot \left[ 1-ch( {\alpha \cdot \lambda )\cdot \cos ( \alpha \cdot \lambda )} \right] \right\}+ \] \[ + \beta^{3}\cdot \alpha^{3}\cdot \left\{ \left[ ch( \alpha \cdot \lambda )\cdot \sin( \alpha \cdot \lambda )-sh( \alpha \cdot \lambda)\cdot \cos ( \alpha \cdot \lambda ) \right]^{3} +3\cdot \left[ sh( \alpha \cdot \lambda )-\sin (\alpha \cdot \lambda) \right]^{2}\cdot \left[ ch(\alpha \cdot \lambda)\cdot \sin (\alpha \cdot \lambda)-sh( \alpha \cdot \lambda )\cdot \cos (\alpha \cdot \lambda) \right]- \right. \] \[ \left. -3\cdot \left[ {sh(\alpha \cdot \lambda)-\sin (\alpha \cdot \lambda)} \right]\cdot \left[ ch( {\alpha \cdot \lambda } )\cdot \sin (\alpha \cdot \lambda )-sh(\alpha \cdot \lambda)\cdot \cos (\alpha \cdot \lambda) \right]^{2}-\left[ {sh(\alpha \cdot \lambda } )-\sin (\alpha \cdot \lambda) \right]^{3} \right\} / \] \[ / \left\{ \left[ 1-ch( \alpha \cdot \lambda)\cdot \cos (\alpha \cdot \lambda ) \right]^{3} \right\} = 0, \quad где: \] \[ \alpha =\frac{l}{h}\cdot \sqrt[4]{\frac{m_{2} \cdot I_{1} }{m_{1} \cdot I_{2} }}, \quad \beta =\frac{h}{l}\cdot \frac{I_{2} }{I_{1} }; \] \[ UY_{i1} =\left\{ \left[ ch(\lambda_{i} )\cdot \sin (\lambda_{i})-sh(\lambda_{i})\cdot \cos (\lambda_{i}) \right] \cdot \left[ 1-ch(\alpha \cdot \lambda_{i})\cdot \cos (\alpha \cdot \lambda)_{i} \right]+ \right. \] \[ \left. +\beta \cdot \alpha \cdot \left[ \sin (\alpha \cdot \lambda_{i})\cdot \left[ ch(\alpha \cdot \lambda_{i})+1 \right] -sh( \alpha \cdot \lambda_{i})\cdot \left[ \cos (\alpha \cdot \lambda_{i})+1 \right] \right] \cdot \left[ 1-ch (\lambda_{i} )\cdot \cos ( \lambda )_{i} \right] \right\} \cdot UY_{i3} / \] \[ / \left\{ 2\cdot \left[ ch( \lambda_{i})\cdot \sin (\lambda_{i}) -sh ( \lambda_{i})\cdot \cos (\lambda_{i}) \right] \cdot \left[ 1-ch (\alpha \cdot \lambda_{i})\cdot \cos (\alpha \cdot \lambda)_{i} \right] + \right. \] \[ \left. +\beta \cdot \alpha \cdot \left[ \sin (\alpha \cdot \lambda_{i})\cdot \left[ ch(\alpha \cdot \lambda_{i})+1 \right] -sh( \alpha \cdot \lambda_{i})\cdot \left[ \cos (\alpha \cdot \lambda_{i})+1 \right] \right] \cdot \left[ 1-ch (\lambda_{i} )\cdot \cos ( \lambda )_{i} \right] \right\} , \] \[ UY_{i2} =\left\{ \left[ ch(\lambda_{i} )\cdot \sin (\lambda_{i})-sh(\lambda_{i})\cdot \cos (\lambda_{i}) \right] \cdot \left[ 1-ch(\alpha \cdot \lambda_{i})\cdot \cos (\alpha \cdot \lambda)_{i} \right]+ \right. \] \[ \left. +\beta \cdot \alpha \cdot \left[ \sin (\alpha \cdot \lambda_{i})\cdot \left[ ch(\alpha \cdot \lambda_{i})+1 \right] -sh( \alpha \cdot \lambda_{i})\cdot \left[ \cos (\alpha \cdot \lambda_{i})+1 \right] \right] \cdot \left[ 1-ch (\lambda_{i} )\cdot \cos ( \lambda )_{i} \right] \right\} \cdot UY_{i3} / \] \[ / \left\{ \cdot \left[ ch( \lambda_{i})\cdot \sin (\lambda_{i}) \right] \cdot \left[ 1-ch (\alpha \cdot \lambda_{i})\cdot \cos (\alpha \cdot \lambda)_{i} \right] + \right\}, \] \[ UY_{i3} =1.0; \] \[ M=\sum\limits_{i=1}^N {M_{i} \cdot \sin \left( {\omega_{i} \cdot t} \right)} \quad - \quad без \quad учета \quad сдвига \quad фаз \quad гармоник, \] \[ t \quad - \quad определяются \quad из \quad выражения: \] \[ \sum\limits_{i=1}^N {\omega_{i} \cdot M_{i} \cdot \cos \left( {\omega_{i} \cdot t} \right)} =0, \] \[ M=\sum\limits_{i=1}^{q-1} {\left| {M_{i} } \right|\cdot \sin \left( {\frac{\pi \cdot \omega_{i} }{2\cdot \omega_{q} }} \right)+} \sum\limits_{i=q}^N {\left| {M_{i} } \right|} , \quad при \quad \left| {M_{q} } \right|>\left| {M_{i} } \right|\quad, \quad\left( {i\ne q} \right)\quad - с \quad учетом сдвига \quad фаз \quad гармоник, \quad где: \] \[ M_{i} =A_{i} \cdot M_{gi} , \quad A_{i} =\frac{A_{i1} }{A_{i2} \cdot \omega_{i} }, \] \[ A_{i1} =\frac{2\cdot s\cdot UY_{i1} }{\lambda_{i}^{2}}\cdot \left\{ {h^{2}\cdot \frac{ch\left( {\lambda_{i} } \right)-\cos \left( {\lambda_{i} } \right)-sh\left( {\lambda_{i} } \right)\cdot \sin \left( {\lambda_{i} } \right)}{1-ch\left( {\lambda_{i} } \right)\cdot \cos \left( {\lambda_{i} } \right)}-\frac{l^{2}}{\alpha^{2}}\cdot \frac{ch\left( {\alpha \cdot \lambda _{i} } \right)-\cos \left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)-sh\left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)\cdot \sin \left( {\alpha \cdot \lambda _{i} } \right)}{1-ch\left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)\cdot \cos \left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)}} \right\}, \] \[ A_{i2} =\frac{m_{1} \cdot h^{3}}{\lambda_{i}^{3}}\cdot \left\{ {\left( {UY_{i1}^{2}+UY_{i2}^{2}+\frac{UY_{i3}^{2}}{2}} \right)} \right.\cdot \left[ {\lambda_{i} \cdot \frac{\left[ {sh\left( {\lambda_{i} } \right)-\sin \left( {\lambda_{i} } \right)} \right]^{2}}{\left[ {1-ch\left( {\lambda_{i} } \right)\cdot \cos \left( {\lambda_{i} } \right)} \right]^{2}}-\frac{ch\left( {\lambda_{i} } \right)\cdot \sin \left( {\lambda_{i} } \right)-sh\left( {\lambda_{i} } \right)\cdot \cos \left( {\lambda_{i} } \right)}{1-ch\left( {\lambda_{i} } \right)\cdot \cos \left( {\lambda_{i} } \right)}} \right]+ \] \[ \left. {\left( {UY_{i1} \cdot UY_{i2} +UY_{i2} \cdot UY_{i3} } \right)\cdot \left[ {\lambda_{i} \cdot \frac{\left[ {sh\left( {\lambda_{i} } \right)-\sin \left( {\lambda_{i} } \right)} \right]\cdot \left[ {ch\left( {\lambda_{i} } \right)\cdot \sin \left( {\lambda_{i} } \right)-sh\left( {\lambda_{i} } \right)\cdot \cos \left( {\lambda_{i} } \right)} \right]}{\left[ {1-ch\left( {\lambda_{i} } \right)\cdot \cos \left( {\lambda_{i} } \right)} \right]^{2}}-\lambda_{i} \cdot \frac{ch\left( {\lambda_{i} } \right)-\cos \left( {\lambda_{i} } \right)}{1-ch\left( {\lambda_{i} } \right)\cdot \cos \left( {\lambda_{i} } \right)}-\frac{sh\left( {\lambda_{i} } \right)-\sin \left( {\lambda_{i} } \right)}{1-ch\left( {\lambda_{i} } \right)\cdot \cos \left( {\lambda_{i} } \right)}} \right]} \right\} + \] \[ \frac{m_2\cdot l^3}{2\cdot\alpha^3\lambda_i^3} \left\{ \left(UY_{i1}^2+UY_{i2}^2+UY_{i3}^2 \right)\cdot \left[ \alpha\cdot\lambda_i \frac{\left[sh(\alpha\cdot\lambda_i)-\sin(\alpha\cdot\lambda_i)\right]^2}{\left[1-ch(\alpha\cdot\lambda_i)\cdot\cos(\alpha\cdot\lambda_i)\right]^2} -\frac{ch(\alpha\cdot\lambda_i)\cdot\sin(\alpha\cdot\lambda_i)-sh(\alpha\cdot\lambda_i)\cdot\cos(\alpha\cdot\lambda_i)}{1-ch(\alpha\cdot\lambda_i)\cdot\cos(\alpha\cdot\lambda_i)}- \right. \right. \] \[ -\alpha \cdot \lambda_{i} \cdot \frac{\left[ {sh\left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)-\sin \left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)} \right]\cdot \left[ {ch\left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)\cdot \sin \left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)-sh\left( {\alpha \cdot \lambda _{i} } \right)\cdot \cos \left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)} \right]}{\left[ {1-ch\left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)\cdot \cos \left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)} \right]^{2}}+\alpha \cdot \lambda_{i} \cdot \frac{ch\left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)-\cos \left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)}{1-ch\left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)\cdot \cos \left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)}+ \] \[ \left. {\left. {+\frac{sh\left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)-\sin \left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)}{1-ch\left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)\cdot \cos \left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)}} \right]} \right\} . \] \[ M_{gi} =\frac{E\cdot l_{2} }{l}\cdot \alpha \cdot \lambda_{i} \cdot \frac{\sin \left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)\cdot \left( {ch\left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)+1} \right)-sh\left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)\cdot \left( {\cos \left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)+1} \right)}{1-ch\left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)\cdot \cos \left( {\alpha \cdot \lambda_{i} } \right)}\cdot UY_{i2} \]

График изменения значений изгибающих моментов M (тс·м) во времени t (с)
в ригеле нижнего яруса по сечениям сопряжений со стойками от суммарной импульсной нагрузки с учетом по 3-х и 6-ти симметричных собственных форм колебаний

Существенное расхождение в результатах (>5%) в амплитудных значениях изгибающего момента связано с тем, что в источнике Расчет сооружений на импульсные воздействия суммирование по формам осуществляется без учета сдвига фаз. В более поздних рекомендациях уже есть требование учета сдвига фаз. В этом случае расхождение с теорией составляет 1.25%.