UII-1-Metodo-matricial-de-regidez

ANÁLISIS ESTRUCTURAL I UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA – INGENIERIÍA CIVIL Dr (c). Ing. Arnold Mendo Rodríguez MÉTOD

Views 92 Downloads 5 File size 3MB

Report DMCA / Copyright

DOWNLOAD FILE

Citation preview

ANÁLISIS ESTRUCTURAL I UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA – INGENIERIÍA CIVIL

Dr (c). Ing. Arnold Mendo Rodríguez

MÉTODO DE RIGIDEZ

Para entender el método matricial de rigidez se requiere revisar algunos conceptos importantes Todo cuerpo elástico que sea sometido a fuerzas externas (estáticas o dinámicas), sufre una deformación. La rigidez se define como la relación entre estas fuerzas externas y las deformaciones que ellas inducen en el cuerpo.

Cuando el resorte se estira debido a la aplicación de una fuerza P en uno de sus extremos con el otro extremo adherido a un apoyo, las deformaciones son resistidas por medio del trabajo interno asociado a la magnitud de deformación del extremo libre.

En general la relación carga deformación no es totalmente lineal, pero cuando las deformaciones son pequeñas se puede idealizar como una línea recta con la siguiente relación matemática

El mismo concepto se puede extender a cuerpos elásticos que tienen otras formas como en el caso de la viga en voladizo Utilizando los principios de la resistencia de materiales es posible demostrar que para el voladizo presentado la deflexión u, está dada por:

donde L es la luz de la viga, E es el módulo de elasticidad del material de la viga, e I es el momento de inercia de la sección de la viga. En este caso la rigidez k, está dada por

La rigidez puede también definirse como la fuerza que debe aplicarse al sistema para obtener una deformación unitaria en la misma dirección y sentido de la carga.

A continuación se presentan varios casos comunes de rigidez para diferentes sistemas

A continuación se presentan varios casos comunes de rigidez para diferentes sistemas

Respecto al método matricial de rigidez o desplazamientos es un método de cálculo aplicable a estructuras de barras El método consiste calcular la matriz de rigidez, que relaciona los desplazamientos de los nudos de la estructura con las fuerzas exteriores que generan los desplazamientos

El método matricial de rigidez es aplicable bajo las siguientes hipótesis 1. Los materiales y comportamiento lineal

la

estructura

tienen

un

2. Las deformaciones son pequeñas comparadas con las dimensiones de la estructura

3. Los materiales son homogéneos e isotropos

4. Se desprecian los efectos y fenómenos que afectan la rigidez

Para resolver el sistema estructural se emplean las relaciones fundamentales 1. Ecuaciones de equilibrio Se produce dentro de la estructura, en cualquier elemento, sección, nudo, barra, conjunto, asi como con las cargas exteriores

2. Ecuaciones de compatibilidad de movimientos Se produce entre los elementos de la estructura asi como con las condiciones de contorno 3. Leyes de comportamiento Estas leyes relacionan las tensiones con las deformaciones (leyes de Hooke,...).

En el desarrollo del método matricial se emplean dos sistemas de coordenas

El sistema GLOBAL referido a los ejes de la estructura como conjunto y el sistela Local refereido a los ejes de cada elemento

Para emplear el método matricial es necesario realizar la transformación de un sistema de coordenadas al otro de una forma sistemática

El sistema local siempre se define con el eje x a lo largo del eje longitudinal del elemento (ab). El eje y tiene su sentido positivo hacia la izquierda a 90° de x. El eje z se obtiene con la regla de la mano derecha y es perpendicular al plano de x & y. En el sistema global el eje X puede tener cualquier orientación en el plano del papel, pero lo

usual es que sea horizontal. Los ejes Y y Z globales se definen a partir del eje X de la misma manera que sus homólogos locales. El ángulo α se define como el ángulo que se describe al ir del eje x local al eje X global, y es positivo en esa dirección.

La transformación de un sistema de coordenadas al otro se realiza usando el ángulo α plantenado las siguientes relaciones

Con las fuerzas fx, fy y fz en el sistema local mostrado y el ángulo α podemos encontrar las componentes de las tres fuerzas sobre los ejes del sistema global

……….( 1 )

Además podemos probar que la matriz [λ] tiene la propiedad de que es ortogonal, o sea que su transpuesta es su inversa

Esto quiere decir que si premultiplicamos ambos lados de la ecuación ( 1 )

……….( 2 )

Por medio de la matriz [λ] y las ecuaciones (1) y (2) podemos transformar las fuerzas que se encuentran en el sistema local a fuerzas en el sistema global

Transformar las fuerzas en sus extremos del sistema local mostrado a un sistema global que tiene su eje X horizontal

El ángulo α se obtiene del arcoseno de 3/5 y es 36.87º. El ángulo es negativo pues por definición α va de local a global. Por lo tanto: cos α= 4/5 = 0.8 y sen α = -3/5 = -0.6 y la matriz [λ] es:

Una formulación importante para desarrollar el método matricial es el principio de CONTRAGRADIENTE Supongamos a las fuerzas aplicadas a un elemento en sus extremos, en un sistema de coordenadas local llamado {f} y en coordenadas globales llamado {F}. Además mediante una

matriz de transformación [T], las fuerzas del un sistema pueden ser transformadas a otro de la siguiente manera:

λ

Para el Sistema local se cumple la siguiente relación y para el sistema global de la siguiente manera Para relacionar los vectores {U} con {u} usamos las ecuaciones que indica que el trabajo que han realizado las fuerzas a través del desplazamiento realizado puede expresarse como :

Las ecuaciones de trabajo son válidas siempre que los sistemas de coordenadas tengan componentes ortogonales, de tal manera que cada componente de fuerza sólo puede hacer trabajo con un desplazamiento colineal, o sea en la dirección de su propio eje de coordenadas. Además el trabajo es invariante con respecto a los sistemas de coordenadas por lo que se cumple λ λ que al aplicar ([A] [B])T = [B]T [A]T conduce a:

λ

……….( 3 )

O sea que hemos probado que la misma matriz de transformación [λ] que se utiliza para cambiar

el sistema de coordenadas de las fuerzas, opera para transformar desplazamientos, pero a través de [λ]T. Esta propiedad se conoce con el nombre de principio de contragradiente

Para realizar el cálculo de esfuerzos por el metodo mtracial es necesario expresar la Matriz de rigidez de un elemento en coordenadas globales Se conoce que la relación entre fuerzas y deformaciones para el sistema de coordenadas locales y globales son:

……….( 4 )

……….( 5 ) Para convertir los vectores de fuerzas de un sistema de coordenadas al otro se sabe que:

……….( 1 ) y gracias al principio de contragradiente sabemos que

……….( 3 ) Al reemplazar (3) en (4) obtenemos:

Al reemplazar (6) en (1) obtenemos:

De (5) y (7) obtenemos:

……….( 6 ) ……….( 7 )

……….( 8 )

Reemplazando la ecuación (8) en la ecuación de fuerzas de un elemento en coordenas locales encontramos la ecuación que nos permite obtener la rigidez de los elementos en coordenadas globales

Ahora vamos a ver como se ensambla la matriz de rigidez Tenemos una estructura compuesta por elementos del tipo mostrado El elemento i tiene la siguiente relación entre las fuerzas en sus extremos y los desplazamientos

Supongamos una estructura de la siguiente forma

Ahora planteamos el equilibrio de nudo n:

Por equilibrio en el nudo n

tomando en cuenta que {Um} = {Us} = 0 obtenemos:

Ahora planteamos el equilibrio de nudo q:

Por equilibrio en el nudo q

tomando en cuenta que {Ur} = 0 obtenemos:

Reordenando los vectores de carga de la siguiente manera

y este es el planteamiento del equilibrio de la estructura en su totalidad, el cual se puede expresar de la siguiente manera general:

donde {P} son las fuerzas externas a la estructura aplicadas en los nudos libres de desplazarse,

o sea aquellos diferentes de los apoyos, [KE] es la matriz de rigidez asociada con los nudos libres de la estructura y {U} son los desplazamientos de estos nudos libres.

Ejemplo: Encontrar la forma de ensamblaje de la matriz de rigidez de la estructura mostrada en la Figura.

Dado que en pórtico plano hay tres grados de libertad por nudo, la estructura tiene en total 6 x 3 = 18 grados de libertad. Trabajando con submatrices de tres por tres, podemos describir la matriz de rigidez como una matriz de 6 filas por 6 columnas, donde cada fila y cada columna representa tres grados de libertad

Ejemplo: Encontrar la forma de ensamblaje de la matriz de rigidez de la estructura mostrada en la Figura. 3

5 2 4

1

La estructura tiene en total 5 x 3 = 15 grados de libertad. Trabajando con submatrices de tres por tres, podemos describir la matriz de rigidez como una matriz de 5 filas por 5 columnas

Ejemplo: Encontrar la forma de ensamblaje de la matriz de rigidez de la estructura mostrada en la Figura. 2 1

2

3 1

Ejemplo: Encontrar la forma de ensamblaje de la matriz de rigidez de la estructura mostrada en la Figura. 3 1

1

2

2

3

4 4 5

5

6

7

7

9

9

6

8

8

10

10

Matriz de rigidez de 10x3=30 grados de libertad

La matriz de rigidez de una barra en coordenadas locales se define de la siguiente manera

Para la rigidez axial

Para la rigidez al corte

Considerando la rigidez al corte la matriz en coordenadas locales de un element tipo barra queda definida de la siguiente manera

Para la rigidez a la flexión

Considerando la rigidez a la flexión la matriz en coordenadas locales de un element tipo barra queda definida de la siguiente manera

Haciendo lo mismo de (a), (b) y (c) para desplazamientos unitarios en ubx, uby y ubz obtenemos la matriz de rigidez, en coordenadas locales, de un elemento de pórtico plano

Para un portico plano la matriz de rigidez de un elemento es la siguiente

a

a

[k]= b

b

Para un portico tridimensional la matriz de rigidez de un elemento es la siguiente a

a

[k]=

b

b

En general podriamos divider a la la ecuacion general de la siguiente manera

Sabemos que el vector de

Finalmente el vector

ya que son los grados de libertad restringidos

representa el vector de reacciones

Ejemplo: Calcular los desplazamientos de la siguiente estructura 500 kN

1

1

105°

2

4m 45°

30° 2

3

10 m

3

Ejemplo: Calcular los desplazamientos de la siguiente estructura

[λ] =

La matriz de rigidez en coordenadas locales para las barras del ejemplo son

La matriz de transformación esta dada por

La matriz de cada barra en coordenadas globales

La matriz de cada barra en coordenadas globales