Descripción: Resumen básico sobre las armaduras estructurales.
Descripción: liquidez
EJECICIO DE VIGAS METODO MATRICIAL
Descrição completa
2016
ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS ARMADURAS
JIMMY DE LA CRUZ H. UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL JUNIO 2016
UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
ARMADURAS Ecuacion de Rigidez de un elemento: La expresión matemática para el método matricial de rigidez es: ⎡⎣ Fi ⎤⎦ = ⎡⎣ Ki ⎤⎦ ⋅ ⎡⎣ Δi ⎤⎦ Donde: ⎡⎣ Fi ⎤⎦ = Vector de Fuerzas del elemento "i" ⎡⎣ Ki ⎤⎦ = Matriz de Rigidez del elemento "i" ⎡⎣ Δi ⎤⎦ = Vector de desplazamientos del elemento "i" Matriz de Rigidez en el eje Local de un Elemento:
Coeficientes correspondiente al 1 GDL y 2 GDL:
E⋅A p'i1 = ――⋅ u'i L E⋅A p'j1 = −――⋅ u'i L
−(E ⋅ A) p'i2 = ―――⋅ u'j L E⋅A p'j2 = ――⋅ u'j L
Elaborado por: Jimmy De La Cruz
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ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
Por superposición: E⋅A E⋅A p'i = ――⋅ u'i − ――⋅ u'j L L
−E ⋅ A E⋅A p'j = ――― ⋅ u'i + ――⋅ u'j L L
⎡ p'i ⎤ E ⋅ A ⎡ 1 −1 ⎤ ⎡ u'i ⎤ ⎢⎣ p' ⎥⎦ = ――⎢⎣ −1 1 ⎥⎦ ⋅ ⎢⎣ u' ⎥⎦ j j L
...(1)
[ p' ] = [ K' ] ⋅ [ u' ]
...(2)
E ⋅ A ⎡ 1 −1 ⎤ K'= ――⎢ L ⎣ −1 1 ⎥⎦
...(3)
Matriz de Transformación de desplazamientos:
ux'i = uxi ⋅ cos (ϕ) + uyi ⋅ sin (ϕ)
...(4)
ux'j = uxj ⋅ cos (ϕ) + uyj ⋅ sin (ϕ)
De (4),(5) ux'i = uxi ⋅ cos (ϕ) + uyi ⋅ sin (ϕ) ux'j = uxj ⋅ cos (ϕ) + uyj ⋅ sin (ϕ) ⎡ uxi ⎤ ⎡ ux'i ⎤ ⎡ cos (ϕ) sin (ϕ) 0 0 ⎤ ⎢ uyi ⎥ = ⋅⎢ ⎥ ⎢⎣ ux' ⎥⎦ ⎢⎣ 0 0 cos (ϕ) sin (ϕ) ⎥⎦ uxj i ⎢ ⎥ ⎣ uyj ⎦ [ u' ] = [ T ] ⋅ [ u ]
...(6)
⎡ cos (ϕ) sin (ϕ) 0 0 ⎤ T= ⎢ 0 cos (ϕ) sin (ϕ) ⎥⎦ ⎣ 0
Elaborado por: Jimmy De La Cruz
...(5)
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ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
Rotación de Sistema de Referencia: Conocida la matriz de rigidez local de un elemento de una estructura "K'", para calcular la matriz de rigidez K en el sistema de coordenadas globales se realiza utilizando la matriz de rotación T
" [ T ] ". Para pasar de coordenadas locales a globales:
pxi = px'i ⋅ cos (ϕ)
...(7)
pxj = px'j ⋅ cos (ϕ)
...(9)
pyi = px'i ⋅ sin (ϕ)
...(8)
pyj = px'j ⋅ sin (ϕ)
...(10)
De (4),(5) ,(6) ⎡ pxi ⎤ ⎢ py ⎥ i ⎢ ⎥= pxj ⎢ ⎥ ⎣ pyj ⎦
y (7):
⎡ cos (ϕ) 0 ⎤ ⎢ sin (ϕ) 0 ⎥ ⎡ px'i ⎤ ⋅ ⎢ 0 cos (ϕ) ⎥ ⎢⎣ px'j ⎥⎦ ⎢⎣ 0 sin (ϕ) ⎥⎦ T
[ p ] = [ T ] ⋅ [ p' ] Reemplazando (2)y (6) T
[ p ] = [ T ] ⋅ [ K' ] ⋅ [ u' ]
...(11) en (11): [ u' ] = [ T ] ⋅ [ u ]
T
[ p ] = [ T ] ⋅ [ K' ] ⋅ [ T ] ⋅ [ u ] Se deduce que la matriz de rigidez en coordenadadas globales se obtiene realizando el siquiente triple producto matricial: T
[ K ] = [ T ] ⋅ [ K' ] ⋅ [ T ]
Elaborado por: Jimmy De La Cruz
...(12)
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ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
T
Matriz de rotación ( T ): ⎡ cos (ϕ) 0 ⎤ ⎢ sin (ϕ) 0 ⎥ T T = ⎢ 0 cos (ϕ) ⎥ ⎢⎣ 0 sin (ϕ) ⎥⎦
⎡ cos (ϕ) sin (ϕ) 0 0 ⎤ T= ⎢ 0 cos (ϕ) sin (ϕ) ⎥⎦ ⎣ 0
Para pasar de coordenadas siguientes ecuaciónes:
globales
a
locales
se
utiliza
[ p' ] = [ T ] ⋅ [ p ] [ u' ] = [ T ] ⋅ [ u ] Error de Fabricación: ΔL = Variacíon de longitud debido al error de fabricación. Coordenadas Locales: E ⋅ A ⋅ ΔL px'i = ―――― L
py'i = 0
−E ⋅ A ⋅ ΔL p'xj = ―――― L
py'j = 0
⎡ E ⋅ A ⋅ ΔL ⎤ ―――― ⎥ ⎡ px'i ⎤ ⎢ L = ⎢⎣ px' ⎥⎦ ⎢ −E ⋅ A ⋅ ΔL ⎥ j ⎢ ―――― ⎥ L ⎣ ⎦ ⎡ E ⋅ A ⋅ ΔL ⎤ ⎥ ⎢ ―――― L f' = ⎢ −E ⋅ A ⋅ ΔL ⎥ ⎢ ―――― ⎥ L ⎣ ⎦
...(13)
Coordenadas Globales: Reemplazando en (11) T
[ f ] = [ T ] ⋅ [ f' ] ⎡ pxi ⎤ ⎢ py ⎥ i ⎥= ⎢ pxj ⎢ ⎥ ⎣ pyj ⎦
...(14)
E ⋅ A ⋅ ΔL ⎤ ⎡ cos (ϕ) 0 ⎤ ⎡ ―――― ⎥ ⎢ ⎢ sin (ϕ) ⎥ L 0 ⋅ ⎢ ⎢ 0 cos (ϕ) ⎥ −E ⋅ A ⋅ ΔL ⎥ ⎢ ―――― ⎥ ⎢⎣ 0 sin (ϕ) ⎥⎦ ⎣ L ⎦
Elaborado por: Jimmy De La Cruz
las
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ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
Variación de Temperatura: α = Coeficiente de expansión térmica ΔL = Variacíon de longitud debido la variación de ΔT = Variación de temperatura Coordenadas Locales: ΔL = α ⋅ ΔT ⋅ L px'i = E ⋅ A ⋅ α ⋅ ΔT
py'i = 0
p'xj = −E ⋅ A ⋅ α ⋅ ΔT
py'j = 0
⎡ px'i ⎤ ⎡ E ⋅ A ⋅ α ⋅ ΔT ⎤ ⎢⎣ px' ⎥⎦ = ⎢⎣ −E ⋅ A ⋅ α ⋅ ΔT ⎥⎦ j
⎡ E ⋅ A ⋅ α ⋅ ΔT ⎤ f' = ⎢ ⎣ −E ⋅ A ⋅ α ⋅ ΔT ⎥⎦
...(15)
Coordenadas Globales: Reemplazando en (11) T
[ f ] = [ T ] ⋅ [ f' ] ⎡ pxi ⎤ ⎢ py ⎥ i ⎢ ⎥= pxj ⎢ ⎥ ⎣ pyj ⎦
...(16)
⎡ cos (ϕ) 0 ⎤ ⎢ sin (ϕ) 0 ⎥ ⎡ E ⋅ A ⋅ α ⋅ ΔT ⎤ ⋅ ⎢ 0 cos (ϕ) ⎥ ⎢⎣ −E ⋅ A ⋅ α ⋅ ΔT ⎥⎦ ⎢⎣ 0 sin (ϕ) ⎥⎦
Elaborado por: Jimmy De La Cruz
temperatura.
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ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
Problema 01: Ensamblar la matriz de rigidez K, calcular las fuerzas en los elementos de la estructura. Datos: E ≔ 200 GPa A0 ≔ 100 mm
Solución: 1. Grados de Libertad:
2. Matriz de rigidez de cada elemento "Local":
EA ⎡ 1 −1 ⎤ K' = ―― ⋅ L ⎢⎣ −1 1 ⎥⎦
Elaborado por: Jimmy De La Cruz
2
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ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
Elemento AB:
Aab ≔ 100 mm
Lab ≔ 14.142 m
2
⎡ 1.4142 −1.4142 ⎤ kN K'ab = ⎢ ―― ⎣ −1.4142 1.4142 ⎥⎦ mm Lbc ≔ 14.142 m
Elemento BC:
Abc ≔ 100 mm
⎡ 1.4142 −1.4142 ⎤ kN ―― K'bc = ⎢ ⎣ −1.4142 1.4142 ⎥⎦ mm 3. Matriz de rigidez de cada elemento "Global": ⎡ cos ⎛⎝ϕi⎞⎠ sin ⎛⎝ϕi⎞⎠ ⎤ 0 0 T = ⎢ 0 0 cos ⎛⎝ϕj⎠⎞ sin ⎛⎝ϕj⎞⎠ ⎥⎦ ⎣ Elemento AB:
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ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
Problema 03: Ensamblar la matriz de rigidez K, calcular las fuerzas en los elementos de la estructura. Datos: E ≔ 200 GPa A0 ≔ 100 mm
Solución: 1. Grados de Libertad:
2. Matriz de rigidez de cada elemento "Local":
EA ⎡ 1 −1 ⎤ K' = ―― ⋅ L ⎢⎣ −1 1 ⎥⎦
Elaborado por: Jimmy De La Cruz
2
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Elemento AB:
ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
Lab ≔ 1.414 m
⎡ 14.1443 −14.1443 ⎤ kN ―― K'ab = ⎢ ⎣ −14.1443 14.1443 ⎥⎦ mm Lbc ≔ 1.414 m
Elemento BC:
⎡ 14.1443 −14.1443 ⎤ kN ―― K'bc = ⎢ ⎣ −14.1443 14.1443 ⎥⎦ mm Lbd ≔ 1.000 m
Elemento BD:
⎡ 20 −20 ⎤ kN ―― K'bd = ⎢ ⎣ −20 20 ⎥⎦ mm 3. Matriz de rigidez de cada elemento "Global": ⎡ cos ⎛⎝ϕi⎞⎠ sin ⎛⎝ϕi⎞⎠ ⎤ 0 0 T = ⎢ 0 0 cos ⎛⎝ϕj⎞⎠ sin ⎛⎝ϕj⎞⎠ ⎥⎦ ⎣ Elemento AB:
9. Reacciones en los apoyos: Rax ≔ 30 kN + 30 kN = 60 kN Ray ≔ 30 kN Rbx ≔ −60 kN Rby ≔ 0 kN
Elaborado por: Jimmy De La Cruz
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ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
Problema 10: Ensamblar la matriz de rigidez K, calcular las fuerzas en los elementos de la estructura. Datos: E ≔ 200 GPa A0 ≔ 40 mm
2
Error de Fabricación: ΔLac ≔ −10 mm
Solución: 1. Grados de Libertad:
2. Matriz de rigidez de cada elemento "Local":
EA ⎡ 1 −1 ⎤ K' = ―― ⋅ L ⎢⎣ −1 1 ⎥⎦
Elaborado por: Jimmy De La Cruz
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Elemento BC:
ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
Lbc ≔ 4.00 m
⎡ 2 −2 ⎤ kN ―― K'bc = ⎢ ⎣ −2 2 ⎥⎦ mm Lcd ≔ 3.00 m
Elemento CD:
⎡ 2.6667 −2.6667 ⎤ kN ―― K'cd = ⎢ ⎣ −2.6667 2.6667 ⎥⎦ mm Lac ≔ 5.00 m
Elemento AC:
⎡ 1.6 −1.6 ⎤ kN ―― K'ac = ⎢ ⎣ −1.6 1.6 ⎥⎦ mm 3. Matriz de rigidez de cada elemento "Global": ⎡ cos ⎛⎝ϕi⎞⎠ sin ⎛⎝ϕi⎞⎠ ⎤ 0 0 Ti = ⎢ 0 0 cos ⎛⎝ϕj⎞⎠ sin ⎛⎝ϕj⎞⎠ ⎥⎦ ⎣ Elemento BC:
ϕj ≔ 0°
ϕi ≔ 0 °
⎡1 0 0 0⎤ Tbc = ⎢ ⎣ 0 0 1 0 ⎦⎥ T
Kbc ≔ Tbc ⋅ K'bc ⋅ Tbc ⎡ 2 ⎢ 0 Kbc = ⎢ −2 ⎢⎣ 0
0 −2 0 ⎤ 0 0 0 ⎥ kN ―― 0 2 0 ⎥ mm ⎥⎦ 0 0 0
Elaborado por: Jimmy De La Cruz
GLbc
⎡0⎤ ⎢0⎥ = ⎢ ⎥ 1 ⎢⎣ 2 ⎥⎦
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ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
Problema 13: Ensamblar la matriz de rigidez K y determinar las fuerzas en los elementos de la estructura. Datos: E ≔ 200 GPa Aab ≔ 15000 mm Adc ≔ 15000 mm Adb ≔ 15000 mm
2
2
Abc ≔ 10000 mm Aad ≔ 10000 mm
2
2
2
Variación de temperatura: ΔTad ≔ 20 °C
α ≔ 1.2 ⋅ 10
Error de Fabricación: Solución:
ΔLdb ≔ −2 mm
1. Grados de Libertad:
2. Matriz de rigidez de cada elemento "Local":
EA ⎡ 1 −1 ⎤ K' = ―― ⋅ L ⎢⎣ −1 1 ⎥⎦
Elaborado por: Jimmy De La Cruz
−5
°C
−1
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Elemento AB:
ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
Lab ≔ 10.00 m
⎡ 300 −300 ⎤ kN ―― K'ab = ⎢ ⎣ −300 300 ⎥⎦ mm Lbc ≔ 5.00 m
Elemento BC:
⎡ 400 −400 ⎤ kN ―― K'bc = ⎢ ⎣ −400 400 ⎥⎦ mm Ldc ≔ 10.00 m
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Problema 14: Ensamblar la matriz de rigidez K y determinar las fuerzas en los elementos de la estructura. Datos: E ≔ 200 GPa Aab ≔ 1000 mm Aca ≔ 1000 mm
2
2
kN kr ≔ 2.5 ―― mm
Solución: 1. Grados de Libertad:
2. Matriz de rigidez de cada elemento "Local":
EA ⎡ 1 −1 ⎤ K' = ―― ⋅ L ⎢⎣ −1 1 ⎥⎦
Elaborado por: Jimmy De La Cruz
Acb ≔ 2000 mm
2
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Elemento AB:
ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
Lab ≔ 0.60 m
⎡ 333.3333 −333.3333 ⎤ kN ―― K'ab = ⎢ ⎣ −333.3333 333.3333 ⎥⎦ mm Lca ≔ 0.80 m
Elemento CA:
⎡ 250 −250 ⎤ kN ―― K'ca = ⎢ ⎣ −250 250 ⎥⎦ mm Lcb ≔ 1.00 m
Elemento CB:
⎡ 400 −400 ⎤ kN ―― K'cb = ⎢ ⎣ −400 400 ⎥⎦ mm kN kr = 2.5 ―― mm
Resorte:
⎡ 2.5 −2.5 ⎤ kN ―― K're = ⎢ ⎣ −2.5 2.5 ⎥⎦ mm 3. Matriz de rigidez de cada elemento "Global": ϕi ≔ 0 °
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ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
Problema 16: Ensamblar la matriz de rigidez K y determinar las fuerzas en los elementos de la estructura. Datos: E ≔ 200 GPa Aab ≔ 500 mm Lab ≔ 5.00 m kN kr ≔ 4 ―― mm
Solución: 1. Grados de Libertad:
2. Matriz de rigidez de cada elemento "Local":
EA ⎡ 1 −1 ⎤ K' = ―― ⋅ L ⎢⎣ −1 1 ⎥⎦
Elaborado por: Jimmy De La Cruz
2
Acb ≔ 500 mm Lcb ≔ 5.00 m
2
UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
Elemento AB:
ANÁLISIS MATRICIAL DE ESTRUCTURAS
Lab = 5 m
⎡ 20 −20 ⎤ kN ―― K'ab = ⎢ ⎣ −20 20 ⎥⎦ mm Lcb = 5 m
Elemento CB:
⎡ 20 −20 ⎤ kN ―― K'cb = ⎢ ⎣ −20 20 ⎥⎦ mm kN kr = 4 ―― mm
Resorte: ⎡ 4 −4 ⎤ kN ―― K're = ⎢ ⎣ −4 4 ⎥⎦ mm
3. Matriz de rigidez de cada elemento "Global": Elemento AB: