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Definizione del materiale:

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Academic year: 2021

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(1)

SIMULAZIONE DI UN IMPATTO Dott. Ing. Simone Caffè

Analisi Time History di una trave 60x40 cm in Calcestruzzo C30/37, con carico concentrato nel nodo 2 pari a 100 kN e carico da impatto pari a 10 kN. Gli effetti sono valutati in termini di spostamento verticale del DOF 2.

Definizione del materiale:

E

c

:= 33000 MPa ⋅

Coordinate Nodali:

x

1

:= 0 m ⋅ z

1

:= 0 m ⋅ x

2

:= 3 m ⋅ z

2

:= 0 m ⋅ x

3

:= 6 m ⋅ z

3

:= 0 m ⋅ Sezione della trave:

h := 60 cm ⋅ b := 40 cm ⋅ A

t

:= h b ⋅ = 0.24 m 2

I

t

b h ⋅ 3

12 = 0.01 m 4 :=

L

t

:= x

2

2 − x

1

2 = 3 m Rigidezze delle trave:

K

x

E

c

⋅ A

t

L

t

m

⋅ N = 2640000000 :=

K

z1

12 E ⋅

c

⋅ I

t

L

t

3

m

⋅ N = 105600000

:= K

z2

6 E ⋅

c

⋅ I

t

L

t

2

1

⋅ N = 158400000 :=

K

r1

4 E ⋅

c

⋅ I

t

L

t

1 N m ⋅

⋅ = 316800000

:= K

r2

2 E ⋅

c

⋅ I

t

L

t

1 N m ⋅

⋅ = 158400000

:=

(2)

Matrici di rigidezza locali:

K

1_loc

K

x

0 0 K

x

− 0 0

0 K

z1

K

z2

0 K

z1

− K

z2

0 K

z2

K

r1

0 K

z2

− K

r2

K

x

− 0 0 K

x

0 0

0 K

z1

− K

z2

− 0 K

z1

K

z2

− 0 K

z2

K

r2

0 K

z2

− K

r1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:=

K

2_loc

:= K

1_loc

Matrici di rigidezza globali:

K

1_glob

:= K

1_loc

K

2_glob

:= K

2_loc

C

1

1 0 0 0 0 0

0 1 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0

0 0 0 1 0 0

0 0 0 0 1 0

0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

:= C

2

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0

0 1 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0

0 0 0 1 0 0

0 0 0 0 1 0

0 0 0 0 0 1

 

 

 

 

 

 

 

 

:=

K

1

:= C

1

T ⋅ K

1_glob

⋅ C

1

K

2

:= C

2

T ⋅ K

2_glob

⋅ C

2

Matrice di rigidezza della struttura:

K

tot

:= K

1

+ K

2

OC 0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 1

 

 

 

 

 

 

:=

K

rid

OC K ⋅

tot

⋅ OC T

5280000000 0 0 0

0 211200000

0 158400000

0 0 633600000 158400000

0 158400000 158400000 316800000

 

 

 

 

 

 

=

:=

(3)

Matrice delle masse:

F

j

:= 100 kN ⋅ m

j

F

j

g = 10197.16 kg :=

m

1_glob

0 0 0

0

0

0 0 0 0

0

0

0 0 0 0

0

0

0 0 0 0

0.5 m

j

⋅ kg 0

0 0 0 0

0

0.5 m

j

⋅ kg 0

0 0 0

0

0

0.001

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 5098.58

0 0

0 0 0 0 5098.58

0 0 0 0 0 0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

= :=

m

2_glob

0.5

m

j

⋅ kg 0

0 0 0 0

0

0.5 m

j

⋅ kg 0 0 0 0

0

0

0.001 0 0 0

0

0

0 0 0 0

0

0

0 0 0 0

0

0

0 0 0 0.001

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5098.58 0 0 0 0 0

0 5098.58

0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

= :=

m

1

:= C

1

T ⋅ m

1_glob

⋅ C

1

m

2

:= C

2

T ⋅ m

2_glob

⋅ C

2

Matrice completa delle masse:

M

tot

:= m

1

+ m

2

Matrice ridotta delle masse:

M

rid

OC M ⋅

tot

⋅ OC T

10197.16 0 0 0

0 10197.16

0 0

0 0 0 0

0 0 0 0

 

 

 

 

 

 

=

:=

(4)

Determinazione degli autovalori:

ORIGIN := 1

Λ sort eigenvals M 

rid

1 ⋅ K

rid

 

 

 

11835.23 517791.12 204794291867.4 428805717009.01

 

 

 

 

 

 

= :=

λ

1

Λ

1 = 11835.23 :=

λ

2

Λ

2 = 517791.12 :=

λ

3

Λ

3 = 204794291867.4 :=

λ

4

Λ

4 = 428805717009.01 :=

Determinazione delle frequenze proprie di vibrazione:

ω

1

:= λ

1

= 108.79 f

1

ω

1

2 π ⋅ = 17.31

:= T

1

:= f

1

1 = 0.058

ω

2

:= λ

2

= 719.58 f

2

ω

2

2 π ⋅ = 114.52

:= T

2

:= f

2

1 = 0.009

ω

3

:= λ

3

= 452542.03 f

3

ω

3

2 π ⋅ = 72024.3

:= T

3

:= f

3

1 = 0

ω

4

:= λ

4

= 654832.59 f

4

ω

4

2 π ⋅ = 104219.84

:= T

4

:= f

4

1 = 0

Determinazione degli autovettori:

Ψ

1

eigenvec  M

rid

1 ⋅ K

rid

 

, λ

1

  

0

− 0.86

− 0.12 0.49

 

 

 

 

 

 

=

:= Ψ

2

eigenvec  M

rid

1 ⋅ K

rid

 

, λ

2

  

1 0 0 0

 

 

 

 

 

 

= :=

Ψ

3

eigenvec  M

rid

1 ⋅ K

rid

 

, λ

3

  

0

− 0 0.58

− 0.82

 

 

 

 

 

 

=

:= Ψ

4

eigenvec  M

rid

1 ⋅ K

rid

 

, λ

4

  

0 0 0.58 0.82

 

 

 

 

 

 

=

:=

(5)

Ψ Ψ

1

1

Ψ

1

2

Ψ

1

3

Ψ

1

4

Ψ

2

1

Ψ

2

2

Ψ

2

3

Ψ

2

4

Ψ

3

1

Ψ

3

2

Ψ

3

3

Ψ

3

4

Ψ

4

1

Ψ

4

2

Ψ

4

3

Ψ

4

4

 

 

 

 

 

 

 

 

0

− 0.86

− 0.12 0.49

1 0 0 0

0

− 0 0.58

− 0.82 0 0 0.58 0.82

 

 

 

 

 

 

= :=

Determinazione della matrice di smorzamento:

Rapporto di smorzamento al critico:

ξ := 0.05

Determinazione dei coefficienti α e β:

ω

1

= 108.79

α

2 ω ⋅

1

( 10 ω ⋅

1

) ( 10 ω

1

ξ ω

1

ξ )

10 ω ⋅

1

( ) 2 ω

1

2 = 9.89

:=

β 2

10 ω ⋅

1

⋅ ξ − ω

1

⋅ ξ

( )

10 ω ⋅

1

( ) 2 ω

1

2

⋅ = 8.3564 × 10

5

:=

C

rid

α M ⋅

rid

+ β K ⋅

rid

542067.52 0 0 0

0 118498.48

0 13236.53

0 0 52946.15 13236.53

0 13236.53 13236.53 26473.07

 

 

 

 

 

 

= :=

Azione impulsiva:

Modulo dell'azione impulsiva:

F

0

:= 10 kN ⋅

Andamento della forza impulsiva nel tempo:

f

TH

( ) t t

0.1 if 0 < t ≤ 0.1 0.5 if 0.1 < t ≤ 0.105 0.5 if 0.105 < t ≤ 0.15

− 100 ⋅ t + 15.5

( ) if 0.15 < t ≤ 0.155 0 otherwise

:=

(6)

0 0.2 0.4 0.6 0.8

1

0.5 0.5

1

Funzione Time History - Impulso

f

TH

( ) t

t

EQUAZIONE DEL MOTO:

Disaccoppiamento delle equazioni del moto:

Passo 1: Normalizzazione degli autovettori:

ψ

1

Ψ

1

max Ψ

1

1

Ψ

1

,

2

Ψ

1

,

3

Ψ

1

,

4

( )

0

− 1

− 0.14 0.57

 

 

 

 

 

 

= :=

ψ

2

Ψ

2

max Ψ

2

1

Ψ

2

,

2

Ψ

2

,

3

Ψ

2

,

4

( )

1 0 0 0

 

 

 

 

 

 

= :=

ψ

3

Ψ

3

max Ψ

3

1

Ψ

3

,

2

Ψ

3

,

3

Ψ

3

,

4

( )

0

− 0 0.71

− 1

 

 

 

 

 

 

= :=

ψ

4

Ψ

4

max Ψ

4

1

Ψ

4

,

2

Ψ

4

,

3

Ψ

4

,

4

( )

0 0 0.71

1

 

 

 

 

 

 

=

:=

(7)

μ

1

:= ψ

1

T ⋅ M

rid

⋅ ψ

1

= 10197.16 μ

2

:= ψ

2

T ⋅ M

rid

⋅ ψ

2

= 10197.16 μ

3

:= ψ

3

T ⋅ M

rid

⋅ ψ

3

= 0 μ

4

:= ψ

4

T ⋅ M

rid

⋅ ψ

4

= 0

Ψ

1_norm

1

μ

1

ψ

1

0

− 0.01

− 0 0.01

 

 

 

 

 

 

=

:= Ψ

2_norm

1

μ

2

ψ

2

0.01 0 0 0

 

 

 

 

 

 

= :=

Ψ

3_norm

1

μ

3

ψ

3

0

− 0 15.81

22.36

 

 

 

 

 

 

=

:= Ψ

4_norm

1

μ

4

ψ

4

0 0 15.81 22.36

 

 

 

 

 

 

= :=

Ψ

norm

Ψ

1_norm

1

Ψ

1_norm

2

Ψ

1_norm

3

Ψ

1_norm

4

Ψ

2_norm

1

Ψ

2_norm

2

Ψ

2_norm

3

Ψ

2_norm

4

Ψ

3_norm

1

Ψ

3_norm

2

Ψ

3_norm

3

Ψ

3_norm

4

Ψ

4_norm

1

Ψ

4_norm

2

Ψ

4_norm

3

Ψ

4_norm

4

 

 

 

 

 

 

 

 

0

− 0.01

− 0 0.01

0.01 0 0 0

0

− 0 15.81

22.36

0 0 15.81 22.36

 

 

 

 

 

 

= :=

Passo 2: Determinazione delle matrici principali:

Matrice Principale di Massa:

M

norm

Ψ

norm

T ⋅ M

rid

⋅ Ψ

norm

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

 

 

 

 

 

 

= :=

Matrice Principale di Rigidezza:

K

norm

Ψ

norm

T ⋅ K

rid

⋅ Ψ

norm

11835.23 0 0 0

0 517791.12

0 0

0 0 204794291867.4

0

0 0 0 428805717009.01

 

 

 

 

 

 

= :=

Matrice Principale di Smorzamento:

C

norm

Ψ

norm

T ⋅ C

rid

⋅ Ψ

norm

10.88 0 0 0

0 53.16

0 0

0 0 17113433.47

0

0 0

− 0 35832716.96

 

 

 

 

 

 

=

:=

(8)

Passo 3: Equazioni del moto nelle coordinate principali:

Vettore della forza impulsiva:

F

0_adm

0 0 0 0 F

0

N 0 0 0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:=

F

impulsiva

( ) t := OC F ⋅

0_adm

⋅ f

TH

( ) t

Prima equazione del moto:

Given

M

norm

〈 〉 1

  

1 q

2x''

( ) tC

norm

〈 〉 1

 

1 q

2x'

( ) t

+  K

norm

〈 〉 1

 

1 q

2x

( ) t

+ Ψ

norm

〈 〉 1 T

F

impulsiva

( ) t

=

q

2x

( ) 0 = 0 q

2x'

( ) 0 = 0

q

2x

:= Odesolve t 3 ( , )

Seconda equazione del moto:

Given

M

norm

〈 〉 2

  

2 q

2z''

( ) tC

norm

〈 〉 2

 

2 q

2z'

( ) t

+  K

norm

〈 〉 2

 

2 q

2z

( ) t

+ Ψ

norm

〈 〉 2 T

F

impulsiva

( ) t

=

q

2z

( ) 0 = 0 q

2z'

( ) 0 = 0 q

2z

:= Odesolve t 3 ( , )

Terza equazione del moto:

Given

M

norm

〈 〉 3

  

3 q

2r''

( ) tC

norm

〈 〉 3

 

3 q

2r'

( ) t

+  K

norm

〈 〉 3

 

3 q

2r

( ) t

+ Ψ

norm

〈 〉 3 T

F

impulsiva

( ) t

=

q

2r

( ) 0 = 0 q

2r'

( ) 0 = 0

(9)

Quarta equazione del moto:

Given

M

norm

4

 〈 〉

 

4 q

3r''

( ) tC

norm

〈 〉 4

 

4 q

3r'

( ) t

+ K

norm

4

 〈 〉

 

4 q

3r

( ) t

+ Ψ

norm

4

〈 〉 T

F

impulsiva

( ) t

=

q

3r

( ) 0 = 0 q

3r'

( ) 0 = 0 q

3r

:= Odesolve t 3 ( , )

Passo 4: Soluzione delle equazioni del moto nelle coordinate fisiche:

Χ t ( ) Ψ

norm

q

2x

( ) t q

2z

( ) t q

2r

( ) t q

3r

( ) t

 

 

 

 

 

 

⋅ :=

Spostamenti del nodo 2:

u

x2

( ) t Χ t ( ) := 1 u

z2

( ) t Χ t ( )

:= 2 u

r2

( ) t Χ t ( )

:= 3

Rotazione del nodo 3:

u

r3

( ) t Χ t ( ) := 4

0 0.2 0.4 0.6 0.8

5

×

10

5

5 10

× 5

Spostamento dinamico verticale del nodo 2

[sec]

[m ]

u

z2

( ) t

t

(10)

Confronto dei risultati ottenuti con SAP 2000 e quelli ottenuti con MathCAD:

Massimo spostamento dinamico:

t := 0.10207

u

z2_DYN_max

:= u

z2

( ) m t ⋅ = 8.7146 × 10

5 m Massimo spostamento statico:

∆ K

rid

1  OC F (

0_adm

) 

0 × 10 0 8.286 × 10

5 1.1837 × 10

5

4.7348

− × 10

5

 

 

 

 

 

 

 

 

= :=

u

z2_STATIC

2 ⋅ m = 8.286 × 10

5 m :=

Incremento di spostamento per effetto dinamico dell'impatto:

∆u

z2

u

z2_DYN_max

− u

z2_STATIC

u

z2_STATIC

= 5.17 %

:=

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