Phân tích Kết cấu bằng Ma trận: Phiên bản thứ hai của Aslam Kassimali

Chuyên ngành

Kỹ thuật kết cấu

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Giáo trình

2010

657
0
0

Phí lưu trữ

135 Point

Tóm tắt

I. Tổng quan về Matrix Analysis of Structures Kassimali

Matrix Analysis of Structures của Aslam Kassimali là giáo trình kỹ thuật kết cấu hàng đầu. Ấn bản thứ hai do Cengage Learning xuất bản năm 2010. Cuốn sách trình bày phương pháp ma trận để phân tích kết cấu khung, dầm và giàn. Phương pháp này sử dụng đại số ma trận thay cho đại số vô hướng truyền thống. Hệ phương trình tuyến tính dạng Ax = P là nền tảng cốt lõi. Trong đó A là ma trận hệ số, x là vector ẩn số, P là vector lực tác động. Việc giải hệ phương trình được thực hiện bằng nhân nghịch đảo ma trận A⁻¹ với vector P. Cuốn sách hướng dẫn sinh viên xây dựng ma trận độ cứng cho từng phần tử. Sau đó lắp ráp thành ma trận độ cứng toàn phần của hệ kết cấu. Phương trình cân bằng lực và phương trình tương thích biến dạng được liên kết chặt chẽ. Đây là công cụ thiết yếu cho kỹ sư kết cấu hiện đại.

1.1. Tác giả và bối cảnh xuất bản

Aslam Kassimali là giáo sư tại Đại học Southern Illinois, Carbondale. Ông có nhiều năm giảng dạy môn phân tích kết cấu. Ấn bản thứ hai được Cengage Learning xuất bản năm 2010. Sách có bản quyền toàn cầu tại Australia, Brazil, Nhật Bản, Hàn Quốc, Mexico, Singapore, Tây Ban Nha, Anh và Mỹ. Christopher M. Shortt là Giám đốc xuất bản kỹ thuật toàn cầu. Cuốn sách được biên tập kỹ lưỡng theo tiêu chuẩn học thuật quốc tế. Nội dung phục vụ chương trình đại học và sau đại học ngành kỹ thuật xây dựng.

1.2. Phạm vi nội dung và đối tượng độc giả

Cuốn sách bao gồm lý thuyết đại số ma trận cơ bản và nâng cao. Nội dung chính gồm ma trận nghịch đảo, ma trận trực giao, vector riêng và trị riêng. Phần ứng dụng trình bày phương pháp phần tử hữu hạn cho dầm, khung và giàn. Độc giả mục tiêu là sinh viên năm ba, năm tư kỹ thuật dân dụng. Kỹ sư hành nghề cũng sử dụng sách để tham khảo và ôn tập. Sách cung cấp ví dụ minh họa cụ thể cho từng khái niệm. Bài tập cuối chương giúp củng cố kiến thức hiệu quả.

II. Các vấn đề trong phân tích kết cấu bằng ma trận

Phân tích kết cấu bằng ma trận đối mặt nhiều thách thức. Bài toán đầu tiên là xác định bậc tự do của hệ kết cấu. Mỗi nút có thể có dịch chuyển ngang, dọc và góc quay. Cố định biên tại neo cứng làm triệt tiêu cả ba biến dạng. Biến dạng nút và biến dạng đầu phần tử phải tương thích. Nghĩa là đầu phần tử nối tại nút phải có cùng dịch chuyển với nút đó. Bài toán thứ hai là xây dựng ma trận độ cứng từng phần tử. Ma trận này liên kết lực đầu phần tử với biến dạng đầu phần tử. Kích thước ma trận phụ thuộc vào bậc tự do của phần tử. Bài toán thứ ba là lắp ráp ma trận toàn phần. Các phần tử chung nút phải truyền tải lực đúng theo cân bằng tĩnh học. Hệ phương trình Ax = P cần giải để tìm vector biến dạng x. Ma trận A thường là ma trận đối xứng, tính chất quan trọng giúp tối ưu tính toán.

2.1. Tương thích biến dạng tại mối nối

2.2. Bài toán nghịch đảo ma trận và tính đối xứng

III. Phương pháp phân tích ma trận trong Matrix Analysis

Phương pháp ma trận cung cấp quy trình có hệ thống để phân tích kết cấu. Bước đầu tiên là xác định hệ tọa độ toàn phần và gán số hiệu nút. Tiếp theo xây dựng ma trận độ cứng từng phần tử trong hệ tọa độ cục bộ. Chuyển đổi sang hệ tọa độ toàn phần bằng ma trận chuyển vị. Lắp ráp ma trận độ cứng toàn phần bằng cách cộng dồn đóng góp của từng phần tử. Áp dụng điều kiện biên để loại bỏ các bậc tự do bị hạn chế. Giải hệ phương trình Ax = P để tìm vector biến dạng chưa biết. Từ biến dạng, tính lực đầu phần tử bằng phương trình liên kết lực-biến dạng. Cuối cùng kiểm tra cân bằng tại mỗi nút để xác nhận kết quả. Toàn bộ quy trình có thể lập trình trên máy tính hiệu quả. Ma trận đối xứng giúp giảm thời gian tính toán và lưu trữ bộ nhớ.

3.1. Xây dựng ma trận độ cứng phần tử

3.2. Giải hệ phương trình và tìm lực nội

IV. Ứng dụng và kết luận Matrix Analysis of Structures

Matrix Analysis of Structures có ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật hiện đại. Phương pháp ma trận được sử dụng để phân tích khung nhà cao tầng. Cầu dầm liên tục và cầu dây văng đều áp dụng nguyên lý này. Giàn không gian và kết cấu mái phức tạp cần phân tích ma trận. Phần mềm kỹ thuật như SAP2000, ETABS dựa trên lý thuyết ma trận. Cuốn sách của Kassimali cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc. Sinh viên hiểu nguyên lý sẽ sử dụng phần mềm hiệu quả hơn. Kỹ sư biết kiểm tra kết quả phần mềm nhờ tính toán tay. Ấn bản thứ hai cập nhật các tiến bộ trong phương pháp tính toán. Nội dung phù hợp với tiêu chuẩn đào tạo kỹ sư kết cấu quốc tế. Đây là tài liệu không thể thiếu cho ngành kỹ thuật xây dựng dân dụng.

4.1. Ứng dụng trong phần mềm kỹ thuật hiện đại

4.2. Giá trị học thuật và thực tiễn của cuốn sách

21/04/2026

Trích đoạn nội dung tài liệu

This is an electronic version of the print textbook. Due to electronic rights restrictions, some third party content may be suppressed. Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. The publisher reserves the right to remove content from this title at any time if subsequent rights restrictions require it. For valuable information on pricing, previous editions, changes to current editions, and alternate formats, please visit www.com/highered to search by ISBN#, author, title, or keyword for materials in your areas of interest. Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. 26201_00_fm_pi-xii.qxd 12/1/10 4:48 PM Page i MATRIX ANALYSIS OF STRUCTURES Second Edition Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it.qxp 9/17/07 4:22 PM Page viii 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 This page was intentionally left blank 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 S 50 R 51 1st Pass Pages 26201_00_fm_pi-xii.qxd 12/8/10 11:47 AM Page iii MATRIX ANALYSIS OF STRUCTURES Second Edition ASLAM KASSIMALI Southern Illinois University—Carbondale Australia • Brazil • Japan • Korea • Mexico • Singapore • Spain • United Kingdom • United States Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. 26201_00_fm_pi-xii.qxd 12/8/10 11:47 AM Page iv Matrix Analysis of Structures, © 2012, 1999 Cengage Learning Second Edition ALL RIGHTS RESERVED. No part of this work covered by the copyright Aslam Kassimali herein may be reproduced, transmitted, stored, or used in any form or Publisher, Global Engineering: by any means graphic, electronic, or mechanical, including but not Christopher M. Shortt limited to photocopying, recording, scanning, digitizing, taping, web distribution, information networks, or information storage and retrieval Acquisitions Editor: Randall Adams systems, except as permitted under Section 107 or 108 of the 1976 Senior Developmental Editor: Hilda Gowans United States Copyright Act, without the prior written permission of Editorial Assistant: Tanya Altieri the publisher. Team Assistant: Carly Rizzo For product information and technology assistance, contact us at Marketing Manager: Lauren Betsos Cengage Learning Customer & Sales Support, 1-800-354-9706. Media Editor: Chris Valentine For permission to use material from this text or product, Content Project Manager: Jennifer Ziegler submit all requests online at www. Production Service: RPK Editorial Services Further permissions questions can be emailed to permissionrequest@cengage. Copyeditor: Erin Wagner Proofreader: Martha McMaster Library of Congress Control Number: on file Indexer: Shelly Gerger-Knechtl ISBN-13: 978-1-111-42620-0 Compositor: MPS Limited, a Macmillan Company ISBN-10: 1-111-42620-1 Senior Art Director: Michelle Kunkler Internal Designer: Carmela Periera Cengage Learning 200 First Stamford Place, Suite 400 Cover Designer: Andrew Adams Stamford, CT 06902 Cover Image: © gary718/Shutterstock; USA AMA/Shutterstock; ILYA GENKIN/Shutterstock Cengage Learning is a leading provider of customized learning solutions Text and Image Permissions Researcher: with office locations around the globe, including Singapore, the United Kristiina Paul Kingdom, Australia, Mexico, Brazil, and Japan. Locate your local office at: First Print Buyer: Arethea L. Cengage Learning products are represented in Canada by Nelson Education, Ltd. For your course and learning solutions, visit www. Purchase any of our products at your local college store or at our preferred online store www. Printed in the United States of America 1 2 3 4 5 6 7 13 12 11 10 Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. 26201_00_fm_pi-xii.qxd 12/1/10 4:48 PM Page v IN MEMORY OF MY FATHER, KASSIMALI B. ALLANA Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it.qxp 9/17/07 4:22 PM Page viii 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 This page was intentionally left blank 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 S 50 R 51 1st Pass Pages 26201_00_fm_pi-xii.qxd 12/1/10 4:48 PM Page vii CONTENTS 1 INTRODUCTION 1 1.2 Classical, Matrix, and Finite-Element Methods of Structural Analysis 3 1.3 Flexibility and Stiffness Methods 4 1.4 Classification of Framed Structures 5 1.6 Fundamental Relationships for Structural Analysis 12 1.7 Linear versus Nonlinear Analysis 20 1.8 Software 21 Summary 21 2 MATRIX ALGEBRA 23 2.1 Definition of a Matrix 24 2.2 Types of Matrices 25 2.4 Gauss–Jordan Elimination Method 38 Summary 45 Problems 46 3 PLANE TRUSSES 48 3.1 Global and Local Coordinate Systems 49 3.2 Degrees of Freedom 52 3.3 Member Stiffness Relations in the Local Coordinate System 58 3.4 Finite-Element Formulation Using Virtual Work 67 3.6 Member Stiffness Relations in the Global Coordinate System 85 3.7 Structure Stiffness Relations 89 3.8 Procedure for Analysis 105 Summary 122 Problems 123 4 COMPUTER PROGRAM FOR ANALYSIS OF PLANE TRUSSES 128 4.2 Assignment of Structure Coordinate Numbers 140 4.3 Generation of the Structure Stiffness Matrix 143 4.4 Formation of the Joint Load Vector 148 4.5 Solution for Joint Displacements 150 vii Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. 26201_00_fm_pi-xii.qxd 12/1/10 4:48 PM Page viii viii Contents 4.6 Calculation of Member Forces and Support Reactions 152 Summary 159 Problems 161 5 BEAMS 162 5.2 Member Stiffness Relations 171 5.3 Finite-Element Formulation Using Virtual Work 185 5.4 Member Fixed-End Forces Due to Loads 191 5.5 Structure Stiffness Relations 197 5.6 Structure Fixed-Joint Forces and Equivalent Joint Loads 206 5.7 Procedure for Analysis 214 5.8 Computer Program 224 Summary 245 Problems 245 6 PLANE FRAMES 249 6.2 Member Stiffness Relations in the Local Coordinate System 256 6.4 Member Stiffness Relations in the Global Coordinate System 276 6.5 Structure Stiffness Relations 284 6.6 Procedure for Analysis 299 6.7 Computer Program 317 Summary 334 Problems 335 7 MEMBER RELEASES AND SECONDARY EFFECTS 340 7.1 Member Releases in Plane Frames and Beams 341 7.2 Computer Implementation of Analysis for Member Releases 361 7.4 Computer Implementation of Support Displacement Effects 385 7.5 Temperature Changes and Fabrication Errors 390 Summary 410 Problems 411 8 THREE-DIMENSIONAL FRAMED STRUCTURES 417 8.3 Space Frames 456 Summary 494 Problems 494 Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it. 26201_00_fm_pi-xii.qxd 12/2/10 7:41 PM Page ix Contents ix 9 SPECIAL TOPICS AND MODELING TECHNIQUES 499 9.1 The Structure Stiffness Matrix Including Restrained Coordinates— An Alternative Formulation of the Stiffness Method 500 9.2 Approximate Matrix Analysis of Rectangular Building Frames 506 9.3 Condensation of Degrees of Freedom, and Substructuring 514 9.4 Inclined Roller Supports 530 9.9 Solution of Large Systems of Stiffness Equations 553 Summary 568 Problems 569 10 INTRODUCTION TO NONLINEAR STRUCTURAL ANALYSIS 572 10.1 Basic Concept of Geometrically Nonlinear Analysis 574 10.2 Geometrically Nonlinear Analysis of Plane Trusses 579 Summary 601 Problems 601 APPENDIX A COMPUTER SOFTWARE 603 APPENDIX B FLEXIBILITY METHOD 605 BIBLIOGRAPHY 612 ANSWERS TO SELECTED PROBLEMS 614 INDEX 629 Copyright 2010 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s). Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience. Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it.qxp 9/17/07 4:22 PM Page viii 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 This page was intentionally left blank 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 S 50 R 51 1st Pass Pages 26201_00_fm_pi-xii.qxd 12/1/10 4:48 PM Page xi PREFACE The objective of this book is to develop an understanding of the basic principles of the matrix methods of structural analysis, so that they can be efficiently im- plemented on modern computers. Focusing on the stiffness approach, Matrix Analysis of Structures covers the linear analysis of two- and three-dimensional framed structures in static equilibrium. It also presents an introduction to nonlin- ear structural analysis and contains the fundamentals of the flexibility approach. The book is divided into ten chapters. Chapter 1 presents a general intro- duction to the subject, and Chapter 2 reviews the basic concepts of matrix alge- bra relevant to matrix structural analysis. The next five chapters (Chapters 3 through 7) cover the analysis of plane trusses, beams, and plane rigid frames. The computer implementation of the stiffness method is initiated early in the text (beginning with Chapter 4), to allow students sufficient time to complete devel- opment of computer programs within the duration of a single course. Chapter 8 presents the analysis of space trusses, grids, and space rigid frames, Chapter 9 covers some special topics and modeling techniques, and Chapter 10 provides an introduction to nonlinear structural analysis. All the relationships necessary for matrix stiffness analysis are formulated using the basic principles of the me- chanics of deformable bodies. Thus, a prior knowledge of the classical methods of structural analysis, while helpful, is not essential for understanding the mater- ial presented in the book. The format of the book is flexible enough to enable in- structors to emphasize topics that are consistent with the goals of the course. Each chapter begins with a brief introduction that defines its objectives, and ends with a summary outlining its salient features.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ