ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 07.06.2020

Просмотров: 228

Скачиваний: 3

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

DRAFT –1  

Chapter 4 Beam Element 

 

Example 1 

 
For the beam shown, determine the displacements and slopes at the nodes, forces in each 
element, and reactions at the supports. 
 

5 ft 

5 ft 

100 lb 

 

E = 1.4 x 10

psi, 

I = 2.4 in

4

 

 
 
 

      K = 200 lb/in 

 

 
 
 
Solution 

 
The beam structure is descritized into three elements and 4-nodes, as shown. 
 
 
  

 

[1] 

   [2] 

           

 

     

       2 

 
 

[3] 

 

4

 

 
 

First, we will find the element stiffness matrix for each element, next we will assemble 
the stiffness matrices, apply the boundary conditions, and finally, solve for node 
deflection. Internal forces and reactions are calculated by back-substituting the 
deflections in the structural equation. 
 

 

   [1]

 

Element 1 

1 2 

 

EI/L

3

 =  (1.4 x 10

6

) x (2.4)/(5x12)

3

 = 15.55 

 
The general equation of a stiffness matrix is given as, 
 
 
 
 
 
 

ME 273 Lecture Notes © by R. B. Agarwal

 

 

  4-6 


background image

DRAFT –1  

Chapter 4 Beam Element 

 
  

 

 

12 

6L 

-12 

6L      

v

1

 

 
 6L 

4L

2

 -6L 2 

L

2     

θ

1

 

[K

e

]

(1)

 =  (EI/L

3

)  

 

-12 

-6L 

12 

-6L     

v

2

 

 
 6L 

L

2

 -6L  4 

L

2     

θ

2

 

 

 
 
 
 

[2] 

Element 2 

2

 

 
 

 
  

 

 

12 

6L 

-12 

6L      

v

2

 

 
 6L 

4L

2

 -6L 2 

L

2     

θ

2

 

[K

e

]

(1)

 =  (EI/L

3

)  

 

-12 

-6L 

12 

-6L     

v

3

 

 
 6L 

L

2

 -6L  4 

L

2     

θ

3

 

 

 
 
 
 
 

Element 3 
 

[3] 

 
 
 

4

 

 
 
[K

e

]

(3)

  = 

-K 

v

3

 

   

 

 

-K 

K    

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ME 273 Lecture Notes © by R. B. Agarwal

 

 

  4-7 


background image

DRAFT –1  

Chapter 4 Beam Element 

 
To get the global stiffness matrix, we will use the same procedure used for assembling 
truss element stiffness equations. In terms of E, L, and I the assembled global stiffness 
matrix is, 
 
 
 

v

1

 

θ

v

θ

v

      

θ

3  

 

v

4

 

 
 

 

v

 

12 

6L 

-12 

6L      0 

     0 

 
            

θ

1

 

 4L

2

 -6L 2 

L

2

 

     0        0        0 

 

v

2

 

  

 

 

24 

-12 

   6L   0 

 

 

 

x (EI) /(L

3

θ

2

 

                                      8L

2

       -6L         2L

2

     0 

 

 

 

v

3

 

 

 

 

12 +K’

     

  -6L    - K’ 

 

θ

3

 

 

 

4L

2       

 

 

v

4

 

SYMMETRY

 

K’ 

 
 
 

Where K’ = (K) x [L

3

 / (EI)] 

 
Our next step is to write the structural equation; however, we can reduce the size of the 
stiffness matrix by applying the given boundary conditions: 

 

v

1

 

=  

θ

1

 = 0  

node 1 is fixed 

 

v

2

 

=  0

   

node 2 has no vertical deflection, but it’s free to rotate. 

 

V

=  0   

node 4 is fixed. 

 
 

The reduced stiffness matrix is 
 
 
 

 

   

8L

2

 -6L 2L

  K

G

    =    EI / (L

3

) -6L  12+K’ 

-6L 

  

 

2L

2

 -6L 4L

 
 
Substituting the values of E, L, and I the structural equation can be written as, 
 

ME 273 Lecture Notes © by R. B. Agarwal

 

 

  4-8 


background image

DRAFT –1  

Chapter 4 Beam Element 

 
             0 

     1152   -72 

288 

   

θ

          -100      =    (15.55)      -72    16.11  -72 

   v

              0 

     288     -72 

576 

   

θ

 
 

 

 
 

θ

2

 = - 0.0032 rad 

Solving, we get 

v

= -  0.4412 in 

 

θ

3

 = -0.0095 rad 

 
 
 

 

ME 273 Lecture Notes © by R. B. Agarwal

 

 

  4-9 


background image

DRAFT –1  

Chapter 4 Beam Element 

4.2 Arbitrarily Oriented 2-D Beam Element 

 
The stiffness equation for an arbitrarily oriented beam element can be derived with a 
procedure similar to the truss element. 
 
 y  d

2y

 

 

 

ϕ

 
 

d

1y

 

d

1y 

 
 

ϕ

1

 

d

1x

 x 

 
 
d

1y

 = d

1y

 cos

θ

 - d

1x

 sin

θ

 =  d

1y

 c - d

1x

 s 

 
d

2y

 = d

1y

 cos

θ

 – d

2x

 sin

θ

 =  d

2y

 c – d

2x

 s 

 
and  

ϕ

1

 = 

ϕ

1

,  

ϕ

2

 = 

ϕ

 
Note: The underscored terms represent local coordinate values. Thus, x and y are local 
coordinates and x and y are global coordinates.  
 
The above equations can be written in a matrix form, 
 

   

 

 

 

   

 

 

 

d

1x

 

d

1y

 

-s  c 0 0 0 0 d

1y

 

ϕ

 

 

  0 1 0 0 0 

ϕ

1

 

d

2y

 

 

0  0 

 

0 -s c 0 d

2x

 

 

ϕ

2  

 

  0 0 0 0 1 d

2y

 

 

ϕ

 

 
 

-s  c 0 0 0 0  

Let   T

 

 

 

  0 1 0 0 0  

 

 

0  0 

 

0 -s c 0    

 

  

0  

1     , the transformation matrix. 

 
 
 
Thus,  {d}  =  [T]  {d} 
 Global 
Local 
 
Note that angle 

ϕ

 

is independent of the coordinate systems, and  

ϕ

1 = 

ϕ

1

,  

ϕ

2  

ϕ

2

  

ME 273 Lecture Notes © by R. B. Agarwal

 

 

  4-10