Advanced beam theories for the analysis of beam structures

Abstract

The major objective of the present doctoral dissertation was to develop advanced beam theories for the more elaborate analysis of beam structures. The improvements implemented comprise the inclusion of generalized warping (flexural/torsional shear lag), flexural/torsional distortion as well as an advanced formulation for geometrically nonlinear dynamic analysis of prismatic and variable stiffness beams including rotary and warping inertia, Wagner’s coefficients, load nonlinearity and shortening effect. The developed theories offer increased accuracy while they exploit all the inherent advantages of beam elements.Generalized warping is taken into account by introducing parameters multiplying warping functions, obtained by corresponding boundary value problems on the cross sectional domain. The problem of violation of longitudinal local equilibrium due to inaccurate representation of shear stresses is alleviated. This is accomplished by proposing a procedure for the “correction” of stress field with the aid of longitudinal local equilibrium equation. Correcting stress field, instead of increasing the number of unknowns in global equilibrium equations, provides increased accuracy, while the simplicity of the formulation is kept to the highest possible level. As far as cross sectional distortion is concerned, in the present dissertation a basis of distortional/warping modes is obtained by boundary value problems on the cross sectional domain formulated through a proposed sequential equilibrium scheme. This approach is preferred over the eigenvalue analysis one, usually encountered in the literature (permits separate evaluation of axial, flexural and torsional mode groups). Subsequently, a beam formulation is developed introducing a relatively small number of distortional parameters multiplying the most significant modes, in order to keep the simplicity of the formulation to the highest possible level. The next step involved the incorporation of the above advanced beam theories into matrix structural analysis framework. Advanced 20×20 and 32×32 stiffness matrices, as well as the corresponding nodal load vectors of a 3-D beam element of arbitrary cross section are developed. The aforementioned matrices take into account shear deformation, flexural/torsional generalized warping effects (20×20) and additionally flexural/torsional distortional effects (32×32). The above elements are included into a standard Direct Stiffness Method (DSM) algorithm to yield a powerful computational tool for the advanced structural analysis of spatial frames. In order to take into account distortional/warping transmission conditions in non-aligned frame members, a joint modelling technique is also formulated for the transformation of higher-order DOFs at elements’ nodes.As far as geometrically nonlinear analysis of beams is concerned, nonlinearity is taken into consideration through total Lagrangian formulation and moderately large displacements – small strains assumption. As far as prismatic beams are concerned, the most general case of arbitrary cross sections is examined, while when it comes to cross sectional variability, the most frequent case of arbitrary doubly symmetric cross section with smooth variation law is covered. In this analysis, the nonlinear phenomenon of eccentricity change of transverse loading during torsional motion, rotary and warping inertia, Wagner’s coefficients and shortening effect are taken into account.In the present dissertation the Boundary Element Method (BEM) is employed for the solution of two-dimensional problems on the cross sectional domain, while the Analog Equation Method (AEM) is employed for the solution of one-dimensional problems along the beam length. AEM overcomes all deficiencies encountered in BEM and permits the solution of a wider range of structural problems including dynamic or nonlinear problems or problems governed by differential equations with variable coefficients.On the basis of the analytical and numerical procedures presented, computer programs have been written and representative examples have been studied. The accuracy and reliability of the proposed methods are confirmed through existing numerical and experimental results, as well as through results obtained from solid and shell Finite Element analyses.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί συμβολή στην ανάπτυξη εξελιγμένων θεωριών δοκού για την ανάλυση ραβδωτών φορέων. Οι εξελιγμένες θεωρίες δοκού που αναπτύχθηκαν λαμβάνουν υπόψη φαινόμενα γενικευμένης στρέβλωσης (διατμητική υστέρηση λόγω κάμψης και στρέψης), διαστρέβλωσης (παραμόρφωση διατομής – distortion), ενώ πραγματοποιείται και γεωμετρικά μη γραμμική δυναμική ανάλυση δοκών σταθερής ή μεταβλητής διατομής, λαμβάνοντας υπόψη φαινόμενα ανώτερης τάξης όπως η περιστροφική και στρεβλωτική αδράνεια, η μη γραμμικότητα εξωτερικής φόρτισης, οι όροι Wagner και η βράχυνση λόγω στρέψης. Οι εν λόγω καινοτόμες θεωρίες συνδυάζουν την αυξημένη ακρίβεια με τα εγγενή πλεονεκτήματα των στοιχείων δοκού, οδηγώντας στην ανάπτυξη εξελιγμένων υπολογιστικών εργαλείων για την ανάλυση ραβδωτών φορέων.Η γενικευμένη στρέβλωση λαμβάνεται υπόψη, με την εισαγωγή ανεξάρτητων παραμέτρων, που εκφράζουν την «ένταση» της στρέβλωσης στο μήκος της δοκού. Οι παράμετροι αυτές πολλαπλασιάζουν αντίστοιχες συναρτήσεις στρέβλωσης, που προκύπτουν από ισάριθμα διδιάστατα προβλήματα συνοριακών τιμών στο χωρίο της διατομής. Στην παρούσα διατριβή αντιμετωπίζεται το πρόβλημα παραβίασης της συνοριακής συνθήκης μηδενισμού της διατμητικής τάσης στην παράπλευρη επιφάνεια της δοκού (ισορροπία σε επίπεδο υλικού σημείου) από τις τάσεις που προκύπτουν από το υιοθετούμενο πεδίο μετατοπίσεων. Προτείνεται διαδικασία «διόρθωσης» του τασικού πεδίου με χρήση της εξίσωσης διαμήκους τοπικής ισορροπίας. Μέσω της διόρθωσης αυτής βελτιώνεται η ακρίβεια των παραγόμενων αποτελεσμάτων χωρίς αύξηση των κινηματικών αγνώστων και διατηρείται κατά το μέγιστο δυνατό βαθμό η απλότητα της διατύπωσης.Όσον αφορά στη διαστρέβλωση (distortion), παράγεται κατάλληλη βάση συναρτήσεων διαστρέβλωσης/στρέβλωσης μέσω επαναληπτικού σχήματος ισορροπίας στο χωρίο της διατομής. Το σχήμα αυτό παράγεται χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις τοπικής ισορροπίας της θεωρίας ελαστικότητας. Η προσέγγιση αυτή παρουσιάζει πλεονεκτήματα έναντι των αντίστοιχων προσεγγίσεων της διεθνούς βιβλιογραφίας που βασίζονται στην Ανάλυση Ιδιομορφών (ανεξάρτητος προσδιορισμός αξονικών, καμπτικών, στρεπτικών μορφών διαστρέβλωσης/στρέβλωσης). Συνεπώς, διατυπώνεται θεωρία δοκού με το μικρότερο δυνατό αγνώστων παραμέτρων διαστρέβλωσης που αντιπροσωπεύουν εξίσου όλους τους μηχανισμούς αντίστασης.Στη συνέχεια οι ως άνω θεωρίες ενσωματώνονται στη μητρωική ανάλυση ραβδωτών φορέων. Παράγονται καινοτόμα τρισδιάστατα στοιχεία δοκού τυχούσας διατομής που περιλαμβάνουν διατμητικές παραμορφώσεις, γενικευμένη στρέβλωση (μητρώο στιβαρότητας 20×20) και διαστρέβλωση (μητρώο στιβαρότητας 32×32) μαζί με τα αντίστοιχα διανύσματα ισοδύναμης επικόμβιας φόρτισης. Τα εν λόγω στοιχεία δοκού ενσωματώνονται σε υπολογιστικό εργαλείο που βασίζεται στoν αλγόριθμο της Μεθόδου Άμεσης Στιβαρότητας (ΜΑΣ, Direct Stiffness Method – DSM) διαμορφώνοντας εξελιγμένο υπολογιστικό εργαλείο για την ανάλυση πλαισιωτών φορέων. Προκειμένου να αρθεί η αδυναμία μετασχηματισμού των επικόμβιων Βαθμών Ελευθερίας (ΒΕ) ανώτερης τάξης σε μέλη συνδεδεμένα υπό γωνία, αναπτύσσεται μεθοδολογία μετασχηματισμού που λαμβάνει υπόψη τις συνθήκες μετάδοσης διαστρέβλωσης/στρέβλωσης στους κόμβους του πλαισίου.Παρουσιάζεται επίσης γενική μεθοδολογία για τη γεωμετρικά μη γραμμική δυναμική ανάλυση δοκών σταθερής και μεταβλητής διατομής. Όσον αφορά στις πρισματικές δοκούς, εξετάζεται η πλέον γενική περίπτωση διατομής, ενώ όσον αφορά στην περίπτωση μεταβλητής διατομής, εξετάζεται η συνήθης περίπτωση της διπλά συμμετρικής διατομής με ομαλό νόμο μεταβολής. Η δοκός υπόκειται σε τυχούσα εξωτερική χρονικά μεταβαλλόμενη φόρτιση, συνοριακές και αρχικές συνθήκες και αναπτύσσει μετρίως μεγάλες μετατοπίσεις και στρεπτικές στροφές. Το μη γραμμικό φαινόμενο της αλλαγής μοχλοβραχίονα του εξωτερικού φορτίου, η επιρροή της περιστροφικής και στρεβλωτικής αδράνειας, των συντελεστών Wagner, καθώς και του φαινομένου βράχυνσης λόγω στρέψης λαμβάνονται υπόψη.Στην παρούσα διατριβή, τα προβλήματα συνοριακών και αρχικών τιμών επιλύονται αριθμητικά χρησιμοποιώντας τη Μέθοδο Συνοριακών Στοιχείων (ΜΣΣ, Boundary Element Method – BEM) και τη Μέθοδο Αναλογικής Εξίσωσης (ΜΑΕ, Analog Equation Method – AEM), η οποία αποτελεί εξέλιξη της BEM. Η AEM αντιμετωπίζει τις εγγενείς αδυναμίες της BEM και προσφέρεται για την επίλυση μεγάλου εύρους προβλημάτων μηχανικής που ορίζονται από χρονικά εξαρτώμενες ή/και μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις ή εξισώσεις με μεταβλητούς συντελεστές.Βάσει των διαδικασιών που αναπτύσσονται, μελετώνται αντιπροσωπευτικά αριθμητικά παραδείγματα. Η ακρίβεια και αξιοπιστία των προτεινόμενων μεθόδων επιβεβαιώνονται με υπάρχουσες αναλυτικές και αριθμητικές λύσεις, πειραματικά αποτελέσματα καθώς και με προσομοιώματα στερεών πεπερασμένων στοιχείων και πεπερασμένων στοιχείων κελύφους.