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BEAM-AND-SLAB DECKS MODELLED AS GRILLAGES

-MASSONNET METHOD-

* Problem: ORTHOTROPIC GRILLAGE two opposite sides SIMPLY SUPPORTED and two ends FREE loaded by SINUSOIDAL LINE LOAD

* the NODAL EQUILIBRIUM is obtained considering a GRILLAGE DECK composed of a SLAB and of LONGITUDINAL & TRANSVERSE BEAMS

* the BENDING MOMENTS in beams & crossbeams are:

Mx = -Ep ∂2w / ∂x2 My = -EJe2w / ∂y2 Mxy = -GJp2w / ∂x∂y Myx = -GJe2w / ∂x∂y

we are assuming an 'equivalent plate'

* HP: BEAMS & CROSSBEAMS are CLOSELY SPACED

L→ we can model the discrete system as a CONTINUOUS ONE

L→ this can be done by SPREADING STATIC QUANTITIES & STIFFNESS on the relative distances

=> in this way we can substitute M & T with DISTRIBUTED MOMENTS & SHEARS per UNIT WEIGHT (m ≥ t)

mlx = -EEpb2w/∂x2 + ∫p ∂2w/∂x2 ;

mxy = -GUp/bi ∂2w/∂x ∂y - ∫p ∂2w/∂x ∂y

my = -EJe ∂2w/∂y2 + ∫e ∂2w/∂y2 ;

myx = -GUe/li ∂2w/∂x ∂y - ∫e ∂2w/∂x ∂y

-∫p ∫e x (Ie + Yp) stiffness x unit height

mxy can be different from myx - different cross-section of the beams in long. and transv. direction

* SHEAR FORCES can be obtained by means of EQUILIBRIUM :

txdy

tydx

mxy dx

myxdy

tx dy dx

myx dx

(mxy + ∂mxy/∂x dx) dy

(myx + ∂mxy/∂y dy) dx

(my + ∂my/∂y dy) dx

(mx + ∂mx/∂x dx) dy

for beams we use the beam distance x for the transverse beams we use the transverse beam distance

tx = ∂mx/∂x + ∂myx/∂y ;

ty = ∂mmy/∂y + ∂mxy/∂x (a)

→ from the VERTICAL EQUILIBRIUM we can write:

∂tx/∂x + ∂ty/∂y = -ρ(x;y) (b)

* by substituting (a) and (b) in (d) we obtain the EQUILIBRIUM EQUATION for ORTHOTROPIC GRILLAGE

∫p ∂4w/∂x4 + (∫p + ∫e) ∂4w/∂x2y2 + ∫e ∂4w/∂y4 = ρ(x;y) (c)

mxy = -γp2w / ∂x∂y

myz = -γe2w / ∂y∂z

→ recalling that:

2α = γp + γe / √spse → 2α √spse / γp + γe = 1

→ the expression of the second mixed derivative is:

2w / ∂x∂y = 2d √spse / γp + γe2w / ∂x∂y =

= 2d √spse / γp + γe π / ℓ ∑i pi ∂v / ∂q cos πx / ℓ

→ defining:

τα (i; j; ℓ) · b = α √esp π / ℓ ∂w / ∂y

then:

2w / ∂x∂y = 2b / γp + γe ∑ pi τα (i; j; ℓ) cos πx / ℓ

{ mxy = -2b γp / γp + γe ∑ pi τα (i; j; ℓ) cos πx / ℓ

myz = -2b γe / γp + γe ∑ pi τα (i; j; ℓ) cos πx / ℓ}

(G) Longitudinal Shear Force tx(x; y)

tx(x; y) = ∂ux / ∂x + ∂uxy / ∂y = -βp3w / ∂x3 + ( -γe ∂ / ∂x ( ∂2w / ∂y2 ) ) =

= ∂ / ∂x [mx(x; y) - γe / se2w(x; y) / ∂y2 ] = ∂ / ∂x [mx + se my]

→ mx = mmx ∑ pi Kα(i; j; ℓ) / ∑ pi; my = b ∑ pi Mα(j; ℓ) sen πx / ℓ

tx(x; y) = ∂mmx / ∂x ∑ pi Kα(i; j; ℓ) / ∑ pi + γe / se b · π / ℓ ∑ pi Mα(j; ℓ) cos πx / ℓ

mx = -βp3w / ∂x3

my = -βe3w / ∂y3

Rotational Equilibrium:

(∫z₁dz - z₂) b - (Tₓ₁ + Tₓ₁Δ Tₐ) b + M₂ + dM₂ + M₁₂ + M₁₁' + dM₁ - Mₐ₁ + qdxₑ = 0

dT₂dx - dT₁/dx b + dM₂/dx + dM₁/dx = -q e

→ Recalling that:

Tₐ = -dMₐ/dx = -EI dₓ³Uₐ/dx³ = -EI (d³Jₐ/dx³ - b d³β/dx³)

T₂ = -dM₂/dx = -EI dₓ³U₂/dx³ = -EI (d³Jₒ/dx³ + b d³β/dx³)

Mₐ = GJ /dx

M₂ = GJ /dx

Then:

-EI dJₒ/dx⁴ b - b²EI d³β/dx⁴ + EI/dₓ⁴ b - b²EI d³β/dx⁴ + 2GJ d²β/dx² = -q · e

→ the applied moment is taken by 2 different contribution

-2EIb d³β/dx³ + 2GJ d²β/dx² = -q · e = -m

CASE OF an ARBITRARY NUMBER OF BEAMS:

Calling:

  • EKᵧₓ = 2EIb²
  • GKₜ = 2GJ
  • EKᵧₓ for m beams
  • GKₜ = G ∑ Ji
  • Kᵧₓ : moment of inertia of I-Iᵧ wrt x axis

- for m boxes we have (m-1) hinges ➔ { m-1 unknownsm-1 equations

- in MATRIX FORM we have:

γ ⋅ t = q(m-1 x m) (m-1 x 1) (m-1 x 1)

γ: TRIDIAGONAL MATRIX since each equationinvolves 3 different unknowns

PRESTRESSING FORCE in a PARABOLIC PROFILE

ΔΘ(s) ≃ ΔΘ(x₁) = ∫₀ˣ¹ k* dξ = k* x₁

P(x₁) = P₁e-μkx1 ≃ Pₐ [1 - μk* x₁]

ΔP = P₃ - P(x₁) ≃ P₃μk* x₁ — for cables tensioned from beam end Ⓐ

P - P(x;t) = P₀ - ΔP

INDETERMINATE PRESTRESSING STRUCTURES

  • in STATICALLY DETERMINED structures, the load equivalent to prestressing is SELF-EQUILIBRATED
  • prestressing in statically determined structures produces NO REACTIONS
  • prestressing in STATICALLY INDETERMINATE structures may produce REACTIONS and ADDITIONAL INTERNAL FORCES that modify the INTERNAL STRESS DISTRIBUTION

→ the additional reaction tends to reduce the PRIMARY BENDING MOMENT

* the value of the HYPERSTATIC UNKNOWN X is given by PVW.

L we consider an AUXILIARY STRUCTURE subjected to the unitary moment X=1 and we impose the WhMt = Next

-1. ∫0 - (-c . X) qθ²/ZEI [(x/) - (x'/)] dx +

+∫0a-c (-c . X)/EI dx + ∫0e (-s . X)/GJt dx

O = -cqθ²/ZEI [/2ℓ + /3ℓ²] . + /EI + /GJt X [p = -cqθ²/ZEI [p ≤/ 2ℓ² /3ℓ²] + ∑

Dettagli
Publisher
A.A. 2022-2023
65 pagine
SSD Ingegneria civile e Architettura ICAR/09 Tecnica delle costruzioni

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Elebi1 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Teoria e progetto di ponti - bridge design e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Milano o del prof Biondini Fabio.