Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS88_t26_z1_4_PDF_artykuly\01mts88_t26_zeszyt_1.pdf M E C H AN I KA TEORETYCZNA I  STOSOWANA 1,  26, 1988 OPERATOROWA  METODA  ROZWIĄ ZANIA  PEWNEGO  UKŁADU ŁAŃ CUCHOWEGO RYSZARD   PISKORSKI Instytut  Okrę towy  Politechniki Gdań skiej Rozwią zano  ukł ad  równań,  opisują cych  statykę   mostu  pontonowego  w  zwarciu,  sto- sują c  rachunek  operatorów  do  cał kowania  równań  róż nicowych. 1.  Wstę p U kł adem  ł ań cuchowym  bę dziemy  nazywać  ukł ad  pontonów  tworzą cych  most  pł y- wają cy  z  ograniczeniami  na wzajemne  obroty  w  przegubach,  zwierają cy  się   pod  wpływem obcią ż enia zewnę trznego.  Strefa  zwarcia  przesuwa  się  wraz  z przemieszczają cym  się   obcią - ż eniem,  stanowią c  w  ten  sposób  rodzaj  mostu  promowego,  nieruchomego  jednak  jako cał oś ci. Po obu stronach strefy  zwarcia  reszta mostu zachowuje  się  jako  ukł ad poł ą czonych przegubowo  pontonów, nie  przenoszą cych  obcią ż enia. W  pracy  [2]  rozwią zano  zagadnienie  począ tkowego  zwarcia  mostu,  traktują c  strefę zwarcia  i  strefę   rozwarcia  jako  dwa  superelementy.  U dał o  się   przy  tym  zredukować sztywność  cał ej  strefy  rozwartej  do  wę zła  brzegowego,  dzię ki  wykorzystaniu  rachunku operatorowego  zastosowanego  do  róż nic  skoń czonych,  opisują cych  równania  równowagi w  tej  strefie.  Ograniczenie  rozwią zań  analitycznych  wynikał o  tylko  z  wielkoś ci  strefy Zwarcia  i  dla  dł uż szych  stref  zwarcia  należ ało  korzystać  z  pomocy  komputera  przy  ana- lizie  strefy  zwarcia,  traktowanej  jako  superelement  [3]. D la  pewnych  spotykanych  w  praktyce  obcią ż eń  statycznych  sił ami skupionymi  i  przy zał oż eniu regularnoś ci konstrukcji  mostu moż liwe  są  również rozwią zania  w strefie  zwarcia w  postaci  analitycznej,  dzię ki  zastosowaniu  rachunku  operatorowego. Tematem  tej  pracy jest  analiza  strefy  zwarcia.  Jest  zatem  ta  praca  kontynuacją   idei superelementu  rozwinię tej  w  [2]. 2.  Sformułowanie problemu Równania  statyki,  opisują ce  strefę   zwarcia  mają   postać  [2]: p  =   K-  z+  L-  m, / .  .  I  *  •   w 200 R .  PlSKORSKI gdzie:  p  —wekt o r  obcią ż eń  zewnę trznych, m —  wektor  niewiadomych  momentów  zwarcia  w  przegubach, z —  wektor  przemieszczeń  pionowych  wę zł ów, / —  wektor  zadanych zmian ką tów  nachylenia mię dzy  pontonami w przegubach, wynikają cych  z  luzów  mię dzy  pontonami w  stanie  nieobcią ż onym, K —  macierz  sztywnoś ci  podł oża  sprę ż ystego, L —  macierz  „ struktury"  ukł adu  (operator róż nicowy). Z akł adamy,  że  strefa  zwarcia  obejmuje  nieokreś loną   bliż ej  ilość  pontonów,  liczbę których  należy  okreś lić  1  dodatkowych  warunków  zwarcia  (m >  0)  i  cią gł oś ci  ugię ć na styku ze strefą   rozwarcia. D zię ki pasmowej budowie macierzy K i L moż na powyż szy ukł ad (2.1)  rozwią zać  metodą   operatorową   [1], przepisują c  go  w  postaci: W  ten  sposób  po  „ scał kowaniu" pierwszej  grupy  ukł adu równań  (2.2) i  wyznaczeniu przemieszczeń  z  moż na nastę pnie  „scał kować" drugą   grupę   równań i  w ten sposób  obli- czyć momenty  zwarcia  m  w  cał ej  strefie  zwarcia. N iech ukł ad obcią ż ony bę dzie jedną   sił ą  skupioną   przył oż oną  do pontonu „zerowego", wokół   którego  rozcią ga  się   po  obu  stronach  strefa  zwarcia,  (rys.  1). Rys.  1 Zanurzenia  przegubów  pontonu „ 0 ": z 0   i  z 0   okreś lają   jednoznacznie poł oż enie całej strefy  jako  ciał a  sztywnego,  moż na je  wię c  traktować jako  stał e  do  wyznaczenia  po roz- wią zaniu  ukł adu  (2.2). Jednocześ nie sił y  wzajemnego  oddział ywania pomię dzy  pontonem "„ 0"  i resztą   strefy  zwarcia: p 0 ,  p 0   oraz m 0 ,  m 0   stanowią   obcią ż enia brzegowe  n a koń cach obu  czę ś ci  strefy  zwarcia.  Z  równań  równowagi  pontonu zerowego  mamy  nastę pują cy zwią zek  tych  obcią ż eń  z  sił ą   zewnę trzną   P: Po   = P  •   1 Po  =  —r ~ —( 3 +  a) i —  a )  k  •   z 0  —  •m0  —m0 I (2.3) OP E R ATOR OWA,  M E T O D A....  201 a —  dł ugość  p o n t o n u , b  —  szerokość  p o n t o n u , /  —  odległ ość  mię dzy  przegubam i, y  —  cię ż ar  wł aś ciwy  wody, pozostał e  oznaczenia  zgodnie  z  rys.  1. 3.  Rozwią zania  w strefie  zwarcia 3.1.  Ugię cia  przegubów.  R ówn an ia  okreś lają ce  ugię cia  przegubów  w  strefie  zwartej, rozcią gają cej  się   p o  prawej  stron ie  p o n t o n u  „ 0 ",  mają   postać  L T  •  z  = / ,  a lb o : z i _ 1 - 2 zi  +  z,.+ 1  =   - / • /,  ( / =   1, 2,  . . . , «—1 ) ,  (3.1) a  d l a  i  =   0 :  .  • •. z o - 2z o +z t   =   - / • /.  (3.2) R ówn an ie  (3.1)  jest  równ an iem  róż nicowym,  kt ó rego  rozwią zan ie  przewidujem y w  po st aci:  zj = A(r)J,  co  prowadzi  do  ró wn an ia  ch arakterystyczn ego: / ' 2 - 2 - r +l  =  0,  ską d  r t —r %   — \ . Stą d  cał ka  ogólna  równ an ia  jedn orodn ego  m a  p o st a ć :  zj  — A+Bj.  W celu  obliczen ia cał ki  ogólnej  równ an ia  n iejedn orodn ego  należy  z rozwią zan ia  zj  zbu do wać  cał kę   Xj  speł - niają cą   jedn orodn e  warun ki  począ tkowe:  x 0   =  0,  x t   = 1,  stą d  Xj = j . Wtedy  cał ka  równ an ia  n iejedn orodn ego  m a  po st ać  [1]: k=\ P o n i e wa ż  qj  —  <7j_fc  =   —/ /   =   c o n st . ,  st ą d; j Z atem  rozwią zanie  równ an ia  róż nicowego  (3.1)  m a  ostateczn ie  p o st a ć : Zj =  A+B- j- - t~- j 2 .  (3.4) Stał e  A  i B wyzn aczam y  z  waru n ku  brzegowego  (3.2),  st ą d: A  _  -   R _ z  - z  — —  f3  5") D la  lewej  stron y  strefy  zwarcia  m o ż na  n atych m iast  n a p isa ć : . J " _  ^  o  _  •=   _ _ 7  _  j l  H  fi"ł pod  warun kiem ,  że  n um eracja  wę zł ów  tej  czę ś ci  bę dzie  się   odbywać  w  o d wr o t n ym  kie- run ku  (w  lewo)  od 0  do n. Z n ajom ość  rozwią zań  (3.4) z dokł adn oś cią   d o z 0 i z0  pozwala  n am  obliczyć  ro zkł ad y m om en tów  w  strefie  zwarcia. 14  M ech .  T eoret.  i  Stos. 1/ 88 202 R .  PlSKOU SKI 3.2.  M omenty  zwarcia.  R ó wn a n i a  o kr eś la ją ce  m o m e n t y  z wa r c ia  L m=p- K- z  d la p r a we j  s t r o n y  st refy  z wa r c i a  m a ją   n a st ę p u ją cą   p o s t a ć : m i - 1 - 2m i +m l+l   =  kl[(3- o/ + —~—O- °0\ J  + gdzie: ™ 0   =  p 0 l(n- l)- p„ł - 6klz 0 (n~2)  + Irfl 2   left 2  (4- 3) N i  n(n* -  l) ( n -  2) -   ^ -   (3 +  o > ( +  D+ n — liczba  pontonów w  zwarciu  po prawej  stronie  pon ton u  zerowego. Odpowiednikiem  równania  (3.13)  jest  teraz: = 0 , (4.5) 14* 204  R .  PlSKORSKI ską d: '  ~- 2n(n+l)(2n+l)fl z   =   _ — _ — ,  (4.6) 6(2n+l) + 2]/ 3  )/« oi'az fl z 0   =   z,,+ - ^ - Cał kowita  dł ugość strefy  zwarcia  wyraż ona  w  iloś ci  pontonów wynosi  2n+1 (pontonów). Relacje  (4.6)  pozwalają   wyznaczyć  zanurzenia  ś rodkowych  przegubów  z 0  i  koń co- wych  z„, jeś li  znamy ilość pontonów w  zwarciu. N ie mamy przy tym ż adnej gwarancji,  ż e: a)  wszystkie  pontony  wewną trz  strefy  są   zwarte  (m t   >  0  dla  i  < n), b)  nie  wystę puje  zwarcie  na  styku  strefy  zwarcia  i  rozwarcia. Warunki  powyż sze  moż na  sprowadzić  do  nastę pują cych  ż ą dań: a)  w„ _ x  >  0 —  wobec  monotonicznoś ci funkcji  w;  (4.3), b)  „  =   (—z„- i+2z n   — zM + 1)-  - p  Podstawiają c  z„_1  ze  strefy zwarcia  (4.2)  i  z„ + 1 ze  strefy  rozwarcia:  z„ + 1  =  z„   •  r, gdzie  r  zgodnie z formuł ami w  [2]: l/ J  - l/a r  =   ~=—- =- ,  otrzymamy: V73+ l/ a 9>- - - j- (l- r>- y?>.  (4.7) Warunki  (a) i  (b) prowadzą   w  rezultacie do nastę pują cego  ograniczenia na ugię cia koń ca strefy  zwarcia: c , 8 ) lub  w  powią zaniu  z  siłą   P: "n,min  "<   -i gdzie: ifi  "'—T fi  W 3  (2n + l) +  ]/ aJ( ]/ 3- ) / a) 2n, (4.9) (4.10) Pn.zer jest  sił ą ,  przy  której  nastę puje  „izolacja"  strefy  zwarcia  (z„  =   0). Wówczas  siła wzajemnego  oddział ywania mię dzy  strefami  jest  równa  zeru,  a  most  poza  strefą   zwarcia O P E R AT O R O WA  M E T O D A. . . 205 jest  pł aski. Obliczają c  P,,, n,;n  i  P„, max  dla  każ dego  n znajdziemy  przedział y, w ja kic h  m u si się   znaleźć  sił a P, aby  moż liwe  był o  zwarcie  n p o n t o n ó w w prawej  czę ś ci  strefy  zwarcia, albo  2 « + l  p o n t o n ó w w  cał ej  strefie. W  tablicy  1 przedstawion o  bezwymiarowe  wartoś ci  t ych  sił  dla a. =  0.91. Tablica  1 n 1 2 3 4 5 6 • *it,  min kfl 14.43 90.07 274.94 617.02 1164.3 1964.8 kfl 24 120 336 720 1320 2184 '  n,  max kfl 90.07 274.94 617.02 1164.3 1964.8 3066.6 Wnioski  do tablicy  1 1.  Z warcie  pun ktowe  n = 1 m oże  zajść  dla sił y  P\ , m i„  = 14.43  kfl. 2.  P rzedział y  ( / ' „ . „ „ P , , , , , , , )  wypeł niają   cał kowicie  oś P  tzn .  P n , max   =   P n - i,wtn- 3.  P rzy zadan ej  sile P m oż na n atych m iast okreś lić liczbę   n p o n t o n ó w w zwarciu  n a podsta- wie  tabl.  1. 4.2.  Siła  skupiona w ś rodkowym  przegubie  mostu  Jeż eli  sił a  P  dział a  w  przegubie  o  n r. 0 (h  =  h  h  =  0)>  wówczas  nie  istnieje  p o n t o n  ś rodkowy  okreś lają cy  poł oż en ie  prawej poł owy  strefy  zwarcia  z dokł adn oś cią   do  A  i B  (patrz  rys.  1).  R ozwią zan ia  bę dą   jed n a k n adal symetryczne i  takie,  że z_ x   =  z t ,  (przegub  o n r.  0 nie  istnieje).  N a  po d st awie (3.4) otrzym am y  w  tym  przypadku  B =  0,  st ą d: JL "j — 0̂ ' (4.11) Sił a P dział ają ca w  przegubie  0 musi  się   rozdzielić po poł owie n a obie  czę ś ci  strefy  zwarcia, st ą d: Po  = 2 ' (4.12) (równ an ia  2.3 są  w  tym  przypadku  n ieprzydatn e). P odstawien ie  (4.11) i  (4.12) do  relacji  z rozdział u 3.2 prowadzi  d o n astę pują cych  wzo ró w n a  m om en t  gną cy  w  strefie  zwarcia: j 2  - ~~j\ (4.13) gdzie: m o = po!(n- \ )+2]/ i  / a  khn- 61dzon(n- 2)  + (4.14) 206 R.  PlSKORSKI Warun ek  zerowania  się  momentu na  koń cu  strefy  zwarcia  m„ =  0  ma  postać: - p 0 l+ 2 \ / l  i/ a  klz n  + l2kk o n- kfl 2 (2n 2   + l)n  = 0  (4.15) i  prowadzi  do  wyznaczenia  z n   lub  z 0 : P  ,.  « 2k ~.,, — 12»+ 2|/ 3  j/ a (4.16) Z 0 = gdzie: n —je st  liczbą   pontonów  zwartych  po  prawej  stronie  obcią ż enia  P,  a  dł ugość strefy  zwarcia  wynosi  2«  pontonów. Przeprowadzają c  podobną   analizę   zwarcia  w  przedostatnim  i  ostatnim  przegubie,  jak w  p.  4.1  pracy  otrzymymy  odpowiednik  relacji  (4.8): (4.17) 4 / 3 lub  wprowadzają c  sił ę  P„, mi „  odpowiadają cą   odł ą czeniu się  ostatniego pontonu i P„,„ lax  — odpowiadają cą   doł ą czeniu  się   nastę pnego  pontonu  do  strefy  zwarcia,  otrzymamy: gdzie: *n,mtn  "^  • *•  "^  -*  H , niflx J Ą T T  «  Ą f--   -  (V*- V*)  (2]/"3"W +  l/ a) (2«- l), (4.18) (4.19) ^n,zer  zgodnie  z  (4.16),  odpowiada  z„  =  0  i  jak  poprzednio  dotyczy  izolacji  strefy zwarcia  od  reszty  mostu.  Wartoś ci  tych  sił   dla  a  =  0.91  przedstawiono  w  tabl.  2. Tablica  2 n 1 2 3 4 5 6 7 ^ n ,  H I  f i t kfl 2.565 41.6 156.8 423.2 862 1530 2475 "nt  zer kfl 6 60 210 504 990 1716 2730 Ą ,«ra Ar// 41.6 165.8 423.2 862 1530 2475 3445 OPERATOROWA  M ETOD A... 207 4.3. Dyskusja  wyników-  Powyż sze  dwa  przypadki  obcią ż enia  sił ą   skupioną   obejmują również  te  obcią ż enia  lokalne  mostu,  których  wypadkowa  skupiona jest  bą dź  w  ś rodku pontonu,  bą dź  w  przegubie.  Ponieważ  praktyczne  przypadki  obcią ż enia  nie  przekraczają dł ugoś ci  dwóch  są siednich  pontonów,  wię c  wyprowadzone  tu  formuł y  mogą   sł uż yć  do obliczeń  zanurzeń  mostu  i  rozkł adów  sił  wewnę trznych  w  strefie  zwarcia  w  tych  dwóch charakterystycznych  poł oż eniach obcią ż enia  mostu.  Jedynie  moment gną cy  bezpoś rednio pod  obcią ż eniem  bę dzie  zależ ał   od  rozkł adu tego  obcią ż enia. Jeż eli  obcią ż enie  bę dzie  się   poruszać  po  moś cie,  to  pomijają c  efekty  dynamiczne, bę dziemy  mieli  na  przemian  do  czynienia  z  obu  przypadkami  opisanymi  w  p .  4.2  i  4.3 pracy.  Z  analizy  wyników  zamieszczonych  w  tabl.  1 i 2  wynika,  że  przy  takiej  samej  sile. dł ugoś ć strefy  zwarcia wyraż ona liczbą  pontonów w zwarciu jest róż na  w  obu  przypadkach. N p.  dla  Pjkfl  =  500,  w  chwili,  gdy  sił a znajduje  się   w  ś rodku  pontonu,  dł ugość  strefy zwarcia  wynosi  7 pontonów  ( 2n + l) ,  zaś  w  chwili,  gdy  sił a znajduje  się   nad  przegubem, 8  pontonów  (2ri),  wię c  jest  dł uż sza.  Zmiany  te  bę dą   zachodzić  okresowo  i  oznacza  to tylko,  że  odł ą czenie się   pontonu od  strefy  zwarcia  z  tył u  za  obcią ż eniem  nie  odbywa  się w  tym  samym  momencie co  przył ą czenie  nastę pnego  przed  obcią ż eniem.  Ta  oscylacyjna wł asność  dotyczy  również  zanurzenia strefy  zwarcia,  (przy  dł uż szej  strefie  zanurzenie jest mniejsze);  ruchowi postę powemu towarzyszy  wię c  również  ruch pionowy  cał ej  strefy  jako ciał a sztywnego.  Zjawiska  te zaobserwowano  przy okazji  obliczeń kontrolnych w  pracy [3]. Jako  ilustrację   obu  przypadków  zwarcia  przytoczymy  wyniki  obliczeń,  wedł ug  wyprowa- dzonych formuł , mostu pontonowego obcią ż onego  sił ą   P  =  600 kN .  Wymiary'  wszystkich pontonów  był y  identyczne: dł ugość  a  =  2.2  m, szerokość  b  =   6.3  m, wysokość  c  =   1.0  m, luz  na  zderzakach  d  =  .01  ni, odległ ość  przegubów  /  =   2.3  m, cię ż ar  wł aś ciwy  wody  y  — 9.81  kN / m 3. N a  tej  podstawie  parametry  potrzebne  do  dalszych  obliczeń  są   nastę pują ce: k  =3—  =   11.33 kN / m,  «  =  (- 7-1  = = .915,  / /   =   —/ = . 0 2 3 m , Tablica  3 P  =   600  kN liczba  pontonów  w  zwarciu dł ugość  strefy  zwarcia zanurzenie  pod  sił ą moment  gną cy  w  przegu- bie  0 n L Zo OTO Sił a  w  przegubie 6 27.6  m .503  m 1692.4  kN m Sił a  w  ś rodku  pon ton u 6 29.9  m .499  m 1382.2  *kN m *  w  tym  przypadku  moment  m a   nie  wystę puje  bezpoś rednio  pod  silą , lecz  w  są siednim  wę ż le  o  n r.  0 R .  PlSKORSKI  208 p kfl  =   .2606  kN ,  - rjr  =   2302.47,  stą d  na  podstawie  tabl.  1  i  2  moż na  natychmiast  ok- reś lić  liczbę   n  pontonów  w  zwarciu.  Wyniki  obliczeń  w  obu  przypadkach  obcią ż enia zestawiono  w  tabl.  3. 5.  Podsumowanie F orm uł y  wyprowadzone  w  p.  4  pracy  pozwalają   zorientować  się   w  rozwią zaniach w  strefie  zwarcia,  a co najważ niejsze,  obliczyć  dł ugość strefy  zwarcia, która  w przeciwnym przypadku  jest  niewiadomą   przy  rozwią zywaniu  numerycznym  ukł adu  (2.1). Analityczne  rozwią zania,  choć  nie  wyczerpują ce  wszystkich  przypadków,  umoż liwiły porównanie z rozwią zaniami  modelu cią gł ego  [4] i oszacowanie  przydatnoś ci tego  modelu w  obliczeniach  numerycznych. Literatura 1.  R.  BI TTN ER ,  Rachunek  operatorów  w przestrzeniach  liniowych, P WN ,  Warszawa  1974. 2.  R .  P ISKORSKI,  Metoda, superelementu w statyce  ukł adów z  wię zami jednostronnymi, Mech. Teoret.  i Stos. 1,  1988,  s.  191- ^198. 3.  Obliczenia wytrzymał oś ciowe mostu pontonowego,  P raca zbiorowa,  Wyd.  wewn.  I. O. P. G ., N r.  1901/ 84, G dań sk  1984. 4.  R.  PISKORSKI,  Ocena przydatnoś ci  modelu  cią gł ego  w  statyce  mostu  pontonowego,  Prace  Badawcze I.  O. P. G .  N r.  1783/ MR- 774/ 84,  G dań sk  1983. P  e  3  IO  M e OITEPATOPH BIH   M ETOfl  P AC TE TA  H EKOTOP Oft  I JE I I H OH   C H C TEM LI P e iu e iio  cKcieiwy  ypaBH eH H H ,'  orrHCHBaiornHX  craTHKy  rroHTOHHoro  M o d a  B  KOHTaKTe, o n e p a T o p n o e  Kcm- icjieHHe  K  H H TerpnpoBaH H io  pa3H ociH bix  yp S u m m a r y OPERATOR  IN TEG RATION   M ETH OD   OF   SOLU TION   OF   A  CATEN ARY  SYSTEM The  system  of  equations  governing  the  problems  of  ferry- bridge  statics  has  been  solved  by  means  of the  operational  calculus  applied  to  the  integration  of  difference  equations. Praca  wpł ynę ł a do  Redakcji  dnia  22 grudnia  1986  roku.