Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 53(2007)12, 806-818 UDK - UDC 531/534 Izvirni znanstveni članek - Original scientific paper (1.01) Analitično spremljanje razvoja elastoplastičnega stanja med upogibom nosilcev pravokotnega prereza Analytical Tracing of the Evolution of the Elasto-Plastic State during the Bending of Beams with a Rectangular Cross-Section Miroslav Halilovič - Boris Stok (Fakulteta za strojništvo, Ljubljana) Prispevek obravnava elastoplastično analizo upogibnice nosilcev pravokotnega prereza, ki so obremenjeni z določenimi vrstami obremenitev, pri čemer material ni utrjevalen. Z upoštevanjem teorije majhnih pomikov in majhnih deformacij so izpeljane analitične rešitve, s katerimi lahko analiziramo elastoplastični problem upogiba nosilcev v celoti analitično. To omogoča spremljanje razvoja elastoplastičnega odziva s širjenjem plastičnega območja po trdnini s povečevanjem obremenitve, tj. tako širjenje vzdolž osi nosilca kot širjenje po globini prereza, od nastanka plastičnih deformacij do porušitve. © 2007 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: nosilci, elastoplastične analize, analitične funkcije, porušitve) The deflection analysis of beams with rectangular cross-sections is considered under specific loading conditions and assuming elasto-plastic behaviour with no hardening. Within the framework of the small-strain and small-displacement approach, analytical solutions are derived that enable the elasto-plastic analyses of beams to be performed in a closed analytical form. As a consequence, clear tracing of the evolution of the elasto-plastic response with a propagation of the plastic zone through the solid body, i.e., its spreading along the beam's longitudinal axis as well as its penetration through the cross-section, is enabled as loads increase, from the appearance of a first plastic yielding in the structure until its collapse. © 2007 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: beams, elastioplastic analysis, analytic functions, beam collapse) 0 UVOD 0 INTRODUCTION Upogib nosilcev, ki se pogosto pojavlja v tehnični praksi, je bil že mnogokrat obravnavan tudi z zahtevnejšimi postopki, še posebej v primeru elastičnih problemov ([4], [7], [10] in [11]). Elastoplastične analize nosilcev, pri katerih predpostavimo nastanek plastičnih členkov, z uporabo katerih izračunamo mejne obremenitve, ki povzročijo porušitev konstrukcije, spadajo v področje teorije mejnih stanj ([2] in [5]). Ker vodilne enačbe elastoplastičnega problema upogiba nosilcev v splošnem niso rešljive analitično, v literaturi srečamo predvsem numerične in eksperimentalne rezultate ([1], [6], [8] in [9]). Analitična rešitev je navedena kvečjemu za nespremenljivo porazdelitev notranjega momenta, medtem ko je za kvadratično porazdelitev prikazan le izračun posameznega primera [3k Ob The bending of beams, which is frequently addressed in technical practice, has been adequately and thoroughly analysed, considering even more rigorous approaches, especially for elastic problems ([4], [7], [10] and [11]). The elasto-plastic analyses of beams, which with the assumed formation of plastic hinges limit the fully plastic loads, are evaluated. Those causing a structure to collapse are treated within a framework of the limit-analysis theory ([2] and [5]). Since, in general, the governing equation of the elasto-plastic beam-bending problem is not to be solved analytically; it is numerical solutions and experimental results that are met in the literature ([1], [6], [8] and [9]). An analytical solution is described, at most, for a constant bendingmoment distribution, while for a quadratic bending moment the distribution is derived only for a 806 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 53(2007)12, 806-818 predpostavki elastoplastičnega materiala brez utrjevanja smo se v prispevku osredotočili na raziskavo elastoplastičnega upogiba nosilcev pravokotnega prereza. Posamezne rešitve, izpeljane ob predpostavki, da je porazdelitev notranjega momenta največ kvadratična, v celoti omogoča analitično spremljati razvoj elastoplastičnega stanja v konstrukciji ob monotonem in sorazmernem povečevanju obremenitev. particular problem [3]. By assuming an elasto-plastic material with no hardening, we concentrate in this paper on an investigation of the elasto-plastic bending of beams with a rectangular cross-sectional area. The particular solutions derived under the assumption of, at most, a quadratic bending moment distribution enable the fully analytical tracing of the evolution of the elasto-plastic state in structural components using the monotonic and proportional application of loads to a structure. 1 VODILNE ENAČBE PROBLEMA 1 GOVERNING EQUATIONS Naj bo raven nosilec prečnega prereza^ (si. 1) izpostavljen elastoplastičnemu upogibu v ravnini (x,z), kjer je x vzdolžna os nosilca, medtem ko sta >- in z glavni osi prereza. Medtem ko upoštevamo, da je obnašanje snovi v elastičnem področju skladno s Hookovim zakonom, posebnih zahtev za nepovračljivo obnašanje trenutno ne postavimo. Upoštevamo še Bernoulli-Navierjevo hipotezo o ravnosti prereza in njegovi pravokotnosti na nevtralno os. V skladu z naravo obravnavanega problema je napetostno stanje a(x,y,z) popisano tako, da so naslednje rezultante enake nič: Let us consider a straight beam with a cross-sectional area A, (Fig. 1), subject to elasto-plastic bending in the (x,z) plane, where x is the longitudinal axis of the beam, and y and z are the principal axes of the cross-section. While the material behaviour is assumed to obey Hooke’s law in the elastic region, no restrictions on the nature of the irreversible inelastic response are imposed on the moment. Also, the Bernoulli-Navier assumptions on the cross-section’s planarity and perpendicularity to the neutral axis are respected. The established stress state ?ij(x,y,z) is characterized, in accordance with the nature of the considered problem, by the following resultants being zero: fsxyPp (x) (5). Pri tem je primerjalna plastična deformacija e vzeta kot absolutna vrednost vzdolžne plastične deformacije e -e, medtem ko G (e ) označuje zvezo xx ? P P med napetostmi in plastičnimi deformacijami, ki jo določa enoosni natezni preizkus. Parameter p (x) popisuje stopnjo plastične deformacije določenega prereza in označuje ločnico med elastičnim in plastičnim območjem prereza. Ta parameter je povezan z upogibnim momentom z enačbo (3), pri čemer ie upoštevana porazdelitev napetosti (5): / A p sign(z) sp(e (x, z))z dA Najprej defmirajmo elastični in plastični mejni moment M (x) in M (x). Elastični mejni moment M(x) je notranji upogibni moment, ki še vedno povzroča samo elastične deformacije v prerezu pri vzdolžni koordinati x in ga izračunamo z limitiranjem enačbe (6), upoštevajoč A ->A, A ->0 in p (x)->h. Plastični mejni moment je notranji upogibni moment, pri katerem postane prerez v celoti plastično deformiran in ga izračunamo z limitiranjem enačbe (6), upoštevajoč A ->0, A ->A in e P p (x)—>0. Naj poudarimo, da velja enačba (6) za dani notranji upogibni moment |M(x)| le, če je prerez delno plastično deformiran, ti. Here, the equivalent plastic strain e is taken as the absolute value of the axial plastic strain e =e. while G (e ) denotes the stress-plastic strain relationship" as determined from a uniaxial tensile test. The parameter p (x) describes the degree of plastic loading of the particular section and shows the boundary between the elastic and plastic regions of the section. This parameter is related to the bending moment with Equation (3), considering the stress distribution (5): / s dA= M(x) (6). Let us first define the elastic and plastic limit moments, M (x) and M (x). The elastic limit moment M (x) is the bending moment, which still causes only e an elastic deformation in the cross-section at a longitudinal position x, and can be computed using the limit of Equation (6), i.e., A ->A, A ^0 and e P pp(x)^h. The plastic limit moment M ft) is the bending moment where the cross-section is fully plastically deformed, and can be computed using the limit of Equation (6), i.e., A ->0, A ^A and p O)->0. e p 'pv/ Let us emphasize that for a given bending moment |M(x)| Equation (6) is valid only when the cross-section is partially plastically deformed, i.e., 0M): e e r p (x) = hJ3 2bh2s0 /3 in Mp = bh2s0 . Torej vzpostavljeni pogoji za začetek plastičnih so z Upoštevajoč p=h in pp=0 dobimo iz zgornje enačbe mejne vrednosti upogibnega momenta |M(x)hM 1 t deformacij, medtem ko se pri plastičnem mejnem momentu \M(x)\=M plastična cona razširi čez celoten prerez. Vodilno enačbo upogibnega problema (10), definirano na območju Q, (Q=Q nß.QUQ =0), j \ e p?e P lahko končno preoblikujemo v: d2w dx2 3M( 2Ebh K i kjer je K definiran kot: assumed to be constant and isotropic, assuming no plastic hardening (a (e )=<70). The depth of the plastic zone is determined with the magnitude of the bending moment M(x) and the degree by which the limit elastic moment M is exceeded (|M(x)|>M): 1 M(x) bh s, By considering values M 2bh2s ?p=h and ?p=0 /3 and M bh2s (11). the limit of the j0 p s 0 bending moment are obtained from this equation. Thus, with \M(x)\=M the conditions for the I I e initiation of plastic deformation are established, whereas the fulfilment of |M(x)hM, the latter being termed the fully plastic moment, causes the plastic zone to spread over the whole of the cross-section. The governing equation (10) of the bending problem, which is defined over a domain Q, (Q=Q nu,QUU =0), is finally transformed to: fMp-M(x) xefi, xen (12), where the constant K is defined as: K = sign(-M (x) 3E2 (13). 2 ANALITIČNA REŠITEV 2 ANALYTICAL SOLUTION Medtem ko je analitična rešitev razmeroma preprosta v primeru elastičnega odziva (x G Q ), pa to ne velja za elastoplastični primer (xGQ ). Toda p za najpogostejše primere obremenitve, pri katerih je porazdelitev notranjega upogibnega momenta Mix) dana v polinomski obliki M(x)=P (x), lahko analitično rešitev izpeljemo. Pri obremenitvi nosilca s zunanjimi točkovnimi silami in momenti ter zvezno porazdeljeno obtežbo je odvisnost momenta Mix) največ polinom drugega reda M(x) = P2(x) = m2x2 +m1x + m0 ¦ Ta zveza gotovo zadovoljivo pokriva večino dejanskih obremenilnih primerov. V primeru elastičnega odziva (xGQ ) se torej lahko rešitev w(x) eksplicitno zapiše v obliki: While a closed-form explicit solution is relatively trivial in the case of the elastic response (xGQ), this is not true for the elasto-plastic case (x G Q ). However, for the most common loading cases p that result in bending-moment distributions M(x) with a polynomial form, M(x)=P (x), such analytical solutions can be readily deduced. Namely, the application of concentrated loads, moments and uniformly distributed loads on a beam structure results in moment functions Mix) of, at most, a second-order polynomial M(x) = P2(x) = m2x2 +m1x + m0 . This functional relationship allows for a satisfactory analysis of the majority of real loading cases. In fact the corresponding solution w(x) in the case of an elastic response (xGQ) results explicitly in the form of: 8 Ebh \m2x +2m1x + 6m0)+C1x + C2 xGOe (14), 3 2 x 810 HalilovičM. -Stok B. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 53(2007)12, 806-818 medtem ko je v primeru elasto-plastičnega odziva while in the case of an elasto-plastic response (x G Q ) p (x G Q ) rešitev w(x) izpeljana za vsako stopnjo the respective particular solutions wjx) ave deduced n=0,1,2 predpostavljenega polinoma M(x)=P (x) separately for each of the possible degrees n=0, 1 and posebej. Eksplicitno izpeljane rešitve so torej: 2 of the assumed polynomial function M(x)=P (x). The explicit results of these deductions are as follows: n=0: n=0: K IJA 2JM -\m0 n=l: n=2: rx + n=l: xGW 4K 3m xeW (15) (16) n=2: w(x) = \ K Wr 2 J \m2 K ( x ) aicsin D + ^D 2 -T 2( x ) + Clx + C2 ; sign(M ( 'vl 2 J \m2\ T (x) arsh T(x) D 4 D2+T2(x) ; sign(M(x))m >0 + Cjx + C2 ; sign(M(x)) m2 <0 (17). xgW V zgornji enačbi je r(x)=dM(x)/dt=2mzr+7M1 From the above, T(x)=dM(x)/dx=2m2x+m1 is notranja prečna sila, D pa konstanta, izračunana iz the shear force and D is a constant obtained from koeficientov polinoma drugega reda kot the second-order polynomial coefficients as SI. 3. Mogoče kvadratične porazdelitve momenta, ki povzročijo plastično tečenje Fig. 3. Possible parabolic moment distributions causing plastic vielding 3 Analitično spremljanje razvoja elastoplastičnega stanja - Analytical Tracing of the Evolution of the Elasto-Plastic State 811 Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 53(2007)12, 806-818 D2 = B2 — 4 AC, pri čemer je ta polinom definiran z enačbo /Tx)=M-|M(x)h^x2+Sx+C. j v p1 Pravilna izbira rešitve za upogibnico w(x) v primeru kvadratične porazdelitve momenta M{x) je odvisna od oblike uvedene odvisnosti^x) v elastoplastičnem območju Q . Oblika odvisnosti, ki jo prikazuje slika 3, predstavlja dve fizikalno različni možnosti, kar posledično vodi k dvojnosti rešitve za w(x). Matematično vzeto sta ti dve možnosti za dano porazdelitev momenta Mix) enolično definirani z zmnožkom vodilnega koeficienta m2 in predznaka momenta Mix). Iz prikazanih grafov za vse mogoče porazdelitve Mix) izhaja, da sta porazdelitvi (a) in (b), ki ju lahko popišemo tudi s sign(M(x))m2>0, enakovredni glede na potek odvisnosti fix), predstavljeno z ukrivljenostjo d2w/dx2<0. Podobna enakovrednost, opredeljena z ukrivljenostjo d2w/dx2>0, velja tudi za porazdelitvi (c) in (d), ki pa ju lahko popišemo s sign(M(x))-m2<0. Skratka, analitično lahko izračunamo upogibnico nosilcev pravokotnega prereza z uporabo enačb (14) in (17), pri čemer uporabimo enačbo (13) za K. 3 SPLOŠNI OPIS POSTOPKA REŠEVANJA Ko določimo porazdelitev notranjega upogibnega momenta M(x) za celotni nosilec, ki je za statično določene probleme odvisna samo od zunanjih sil in ne od razvoja plastičnega stanja, območje konstrukcije Q razdelimo na NED+NpD polj glede na trenutno mehansko stanje: Nm elastičnih polj Q (i), (i=l,...,N i in NpD elastoplastičnih polj Ü» (j= l,..,NpD). Število polj, na katero razdelimo konstrukcijo, je odvisno od števila različnih predpisov odvisnosti porazdelitve momenta Mix). Takšna razdelitev, ki v celoti pokriva reševanje elastičnega odziva, zahteva dodatne razdelitve, ko se v kateremkoli polju pojavijo plastične deformacije. Takšna razdelitev na koncu prinese N polj Q m, kjer absolutna vrednost PD p upogibnega momenta M(x) preseže elastični mejni moment M, ter N^ polj Q (i), kjer elastični mejni moment ni presežen. V vsakem od tako dobljenih polj je upogibnica w(x) popisana z eno od enačb (14) do (17), kar privede do problema D2 = B2 — 4 AC, the considered polynomial being defined by the relation flx)=M -|M(x)h^x2+Sx+C. v p1 Regarding the correct selection of the deflection line solution w(x) in the case of a parabolic moment distribution Mix), attention is to be paid to the established functional behaviour of the function fix) in the elasto-plastic domain Q . This behaviour is v p characterized, as shown in Fig. 3, by two physically different situations which appear alternatively, and lead, as a consequence, to the duality of the solution w(x). Mathematically, the moment distribution Mix) given these situations is uniquely defined by the product of the leading polynomial coefficient m2 and the sign of the moment Mix). From the displayed graphs of all possible moment distributions Mix) it follows that the distributions (a) and (b), which are otherwise characterized by the sign of (M(x))m2>0 are equivalent with respect to the functional behaviour of the function/x), represented by the curvature d2w/ dx2<0. Similar equivalence, yielding the curvature d2w/ dx2>0, can be attributed to the distributions (c) and (d) that are characterized by the sign of (M(x))m2<0. To summarize, the explicit deflection curve for beams with a rectangular cross-section can be calculated with Equations (14) to (17), using Equation (13) for the constant K. 3 GENERAL DESCRIPTION OF THE SOLVING PROCEDURE After the determination of the bending-moment distribution M(x) over the whole beam, which is for statically determinate problems dependent only on the external loads and not on the plastic state evolution, the structure domain Q should be partitioned in accordance with the actual mechanical state into ND=Nffi+Nro sub-domains: Nm elastic sub-domains Q(i), (r=l,...,Nm) and NpD elasto-plastic sub-domains q/, (j=l,..,N J The number of sub-domains that the "structure is divided into is first dictated by the number of different functions defining the moment distribution Mix). This partitioning, which completely covers the solution of the problem under the presumed elastic response, needs, however, a further subdivision if in any of these sub-domains the plastic yielding occurs. The latter subdivision finally yields Nm sub-domains Q ® i.e., p]} P regions where the absolute value of the bending moment Mix) exceeds the elastic limit moment M, and N sub- ^ e ED domains Q ®, where the elastic limit moment is not e exceeded. In each of the thus obtained sub-domains the deflection w(x) is governed by a corresponding 812 HalilovicM. -Stok B. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 53(2007)12, 806-818 iskanja vrednosti pripadajočih neznanih integracijskih konstant {CVC2}:, (j=l,...,ND), saj je preostanek odvisnosti w(x) 'eksplicitno znan. Sistem enačb, ki ga je treba rešiti, če želimo izračunati skupno 2ND neznanih konstant, je sestavljen z upoštevanjem robnih pogojev in pogojev skladnega prehoda. Naj na tem mestu poudarimo, da je za statično določene konstrukcije sistem vedno linearen in razmeroma majhen, saj je število polj razmeroma majhno celo za zahtevne konstrukcije. Pri statično nedoločenih konstrukcijah pa se pojavijo dodatne neznanke, toda celotni sistem enačb se da v splošnem prevesti na majhen sistem nelinearnih enačb, ki ga je pa treba rešiti numerično. Opisana metoda je zelo učinkovita in preprosta za uporabo, kar bo prikazano v računskem primeru. 4 RAČUNSKI PRIMER V nadaljevanju bo obravnavan mehanski odziv dvakrat členkasto podprtega nosilca s previsnim poljem, ki je obremenjen s točkovno silo F (F>0) na prostem koncu in z zvezno obtežbo q (<7>0) med podporama (si. 4). Naj parameter X (00) at its free end and to a uniformly distributed load q (q>0) between the supports (Fig. 4), will be considered in the following. Let the parameter A (00) je torej podano z: FV=IF* A Since by assumed proportional loading the ratio between the loads q and F remains fixed for any load level X, the load notations may be enlarged in order to complete the information by adding the index \|/, i.e., 9^^ and F^F^. The application of the loads (dfc*)) is thus characterised by: q o0 A 00 A 0