Strukturanalyse ist der Entschluss von den Effekten von Lasten auf physischen Strukturen und ihren Bestandteilen. Das Struktur-Thema diesem Typ der Analyse schließt alles ein, was Lasten, wie Gebäude, Brücken, Fahrzeuge, Maschinerie, Möbel, Kleidung, Boden-Schichten, prostheses und biologisches Gewebe widerstehen muss. Strukturanalyse vereinigt die Felder der angewandten Mechanik, Material-Wissenschaft und angewandten Mathematik, um Deformierungen einer Struktur, innere Kräfte, Betonungen, Unterstützungsreaktionen, Beschleunigungen und Stabilität zu schätzen. Die Ergebnisse der Analyse werden verwendet, um eine Fitness einer Struktur für den Gebrauch nachzuprüfen, häufig physische Tests sparend. Strukturanalyse ist so ein Schlüsselteil des Technikdesigns von Strukturen.

Strukturen und Lasten

Eine Struktur bezieht sich auf einen Körper, oder das System von verbundenen Teilen hat gepflegt, eine Last zu unterstützen. Wichtige mit dem Hoch- und Tiefbau verbundene Beispiele schließen Gebäude, Brücken und Türme ein; und in anderen Zweigen der Technik sind Schiff und Flugzeugsrahmen, Zisternen, Druck-Behälter, mechanische Systeme und elektrische Tragwerke wichtig. Um eine Struktur zu entwerfen, muss man einer angegebenen Funktion für den öffentlichen Gebrauch dienen, der Ingenieur muss für seine Sicherheit, Ästhetik und Brauchbarkeit verantwortlich sein, während er Wirtschafts- und Umwelteinschränkungen in Betracht zieht. Andere Zweige der Technikarbeit an einem großen Angebot daran, Strukturen nichtzubauen.

Klassifikation von Strukturen

Es ist für einen Strukturingenieur wichtig, die verschiedenen Typen von Elementen anzuerkennen, die eine Struktur zusammensetzen und im Stande zu sein, Strukturen betreffs ihrer Form und Funktion zu klassifizieren. Einige der Strukturelemente sind Band-Stangen, Stange, Bar, Winkel, Kanal, Balken und Säulen. Die Kombination von Strukturelementen und den Materialien, aus denen sie zusammengesetzt werden, wird ein Struktursystem genannt. Jedes System wird einen oder grundlegenderer Typen von Strukturen wie Bruchbänder, Kabel und Bögen, Rahmen und Oberflächenstrukturen gebaut.

Lasten

Einmal die dimensionale Voraussetzung für eine Struktur sind definiert worden, es wird notwendig, die Lasten zu bestimmen, die die Struktur unterstützen muss. Um eine Struktur zu entwerfen, ist es deshalb notwendig, zuerst die Lasten anzugeben, die ihm folgen. Das Design, das für eine Struktur lädt, wird häufig in Gebäudecodes angegeben. Es gibt zwei Typen von Codes: Allgemeine Gebäudecodes und Designcodes, Ingenieur muss alle Codevoraussetzungen für eine zuverlässige Struktur befriedigen.

Es gibt zwei Typen von Lasten, auf die Struktur-Technik im Design stoßen muss. Der erste Typ der Last wird Tote Lasten genannt, die aus den Gewichten der verschiedenen Strukturmitglieder und den Gewichten irgendwelcher Gegenstände bestehen, die der Struktur dauerhaft beigefügt werden. Zum Beispiel, Säulen, Balken, Tragbalken, die Bodenplatte, die Deckung, die Wände, die Fenster, das Sondieren, die elektrischen Vorrichtungen und die anderen verschiedenen Verhaftungen. Der zweite Typ der Last ist Lebende Lasten, die sich in ihrem Umfang und Position ändern. Es gibt viele verschiedene Typen von lebenden Lasten wie Gebäude von Lasten, Autobahn-Brücke-Lasten, Gleise-Brücke-Lasten, Einfluss-Lasten, Windlasten, Schnee-Lasten, Erdbeben-Lasten und anderen natürlichen Lasten.

Analytische Methoden

Um eine genaue Analyse durchzuführen, muss ein Strukturingenieur solche Information wie Strukturlasten, Geometrie, Unterstützungsbedingungen und Material-Eigenschaften bestimmen. Die Ergebnisse solch einer Analyse schließen normalerweise Unterstützungsreaktionen, Betonungen und Versetzungen ein. Diese Information ist dann im Vergleich zu Kriterien, die die Bedingungen des Misserfolgs anzeigen. Fortgeschrittene Strukturanalyse kann dynamische Antwort, Stabilität und nichtlineares Verhalten untersuchen.

Es gibt drei Annäherungen an die Analyse: Die Mechanik der Material-Annäherung (auch bekannt als Kraft von Materialien), die Elastizitätstheorie-Annäherung (der wirklich ein spezieller Fall des allgemeineren Feldes der Kontinuum-Mechanik ist), und die begrenzte Element-Annäherung. Die ersten zwei machen von analytischen Formulierungen Gebrauch, die größtenteils für einfache geradlinige elastische Modelle gelten, zu Lösungen der geschlossenen Form führen, und häufig mit der Hand gelöst werden können. Die begrenzte Element-Annäherung ist wirklich eine numerische Methode, um Differenzialgleichungen zu lösen, die durch Theorien der Mechanik wie Elastizitätstheorie und Kraft von Materialien erzeugt sind. Jedoch hängt die Methode des begrenzten Elements schwer von der in einer Prozession gehenden Macht von Computern ab und ist auf Strukturen der willkürlichen Größe und Kompliziertheit anwendbarer.

Unabhängig von der Annäherung basiert die Formulierung auf denselben drei grundsätzlichen Beziehungen: Gleichgewicht, bestimmend, und Vereinbarkeit. Die Lösungen sind ungefähr, wenn einige dieser Beziehungen nur, oder nur eine Annäherung der Wirklichkeit ungefähr zufrieden ist.

Beschränkungen

Jede Methode hat beachtenswerte Beschränkungen. Die Methode der Mechanik von Materialien wird auf sehr einfache Strukturelemente unter relativ einfachen ladenden Bedingungen beschränkt. Die Strukturelemente und ladenden Bedingungen erlaubt sind jedoch genügend, um viele nützliche Technikprobleme zu beheben. Die Theorie der Elastizität erlaubt die Lösung von Strukturelementen der allgemeinen Geometrie unter allgemeinen ladenden Bedingungen im Prinzip. Analytische Lösung wird jedoch auf relativ einfache Fälle beschränkt. Die Lösung von Elastizitätsproblemen verlangt auch die Lösung eines Systems von teilweisen Differenzialgleichungen, das beträchtlich mathematischer anspruchsvoll ist als die Lösung der Mechanik von Material-Problemen, die höchstens die Lösung einer gewöhnlichen Differenzialgleichung verlangen. Die begrenzte Element-Methode ist vielleicht am einschränkendsten und zur gleichen Zeit am nützlichsten. Diese Methode selbst verlässt sich auf andere Strukturtheorien (wie die anderen zwei besprochen hier) für Gleichungen, um zu lösen. Es macht es wirklich jedoch allgemein möglich, diese Gleichungen, sogar mit der hoch komplizierten Geometrie und den ladenden Bedingungen mit der Beschränkung zu lösen, dass es immer etwas numerischen Fehler gibt. Der wirksame und zuverlässige Gebrauch dieser Methode verlangt ein festes Verstehen seiner Beschränkungen.

Kraft von Material-Methoden (klassische Methoden)

Die einfachste von den drei Methoden hier hat besprochen, die Mechanik der Material-Methode ist für das einfache Strukturmitglied-Thema spezifischem loadings wie axial geladene Bars, prismatische Balken in einem Staat des reinen Verbiegens und kreisförmiges Welle-Thema der Verdrehung verfügbar. Die Lösungen können unter bestimmten Bedingungen, das überlagerte Verwenden des Überlagerungsgrundsatzes sein, um ein Mitglied zu analysieren, das das verbundene Laden erlebt. Lösungen für spezielle Fälle bestehen für allgemeine Strukturen wie dünn ummauerte Druck-Behälter.

Für die Analyse von kompletten Systemen kann diese Annäherung in Verbindung mit der Statik verwendet werden, die Methode von Abteilungen und Methode von Gelenken für die Bruchband-Analyse, Moment-Vertriebsmethode für kleine starre Rahmen, und Pfortrahmen und freitragende Methode für große starre Rahmen verursachend. Abgesehen vom Moment-Vertrieb, der in Gebrauch in den 1930er Jahren eingetreten ist, wurden diese Methoden in ihren aktuellen Formen in der zweiten Hälfte des neunzehnten Jahrhunderts entwickelt. Sie werden noch für kleine Strukturen und für das einleitende Design von großen Strukturen verwendet.

Die Lösungen basieren auf der geradlinigen isotropischen unendlich kleinen Elastizität und Balken-Theorie von Euler-Bernoulli. Mit anderen Worten enthalten sie die Annahmen (unter anderen), dass die fraglichen Materialien elastisch sind, ist diese Betonung geradlinig verbunden, um sich zu spannen, dass sich das Material (aber nicht die Struktur) identisch unabhängig von der Richtung der angewandten Last benimmt, dass alle Deformierungen klein sind, und das strahlt, sind hinsichtlich ihrer Tiefe lang. Als mit jeder Vereinfachungsannahme in der Technik, je mehr das Modell von der Wirklichkeit, desto weniger nützlich (und gefährlicher) das Ergebnis streunt.

Elastizitätsmethoden

Elastizitätsmethoden sind allgemein für einen elastischen Festkörper jeder Gestalt verfügbar. Individuelle Mitglieder wie Balken, Säulen, Wellen, Teller und Schalen können modelliert werden. Die Lösungen werden aus den Gleichungen der geradlinigen Elastizität abgeleitet. Die Gleichungen der Elastizität sind ein System von 15 teilweisen Differenzialgleichungen. Wegen der Natur der Mathematik können beteiligte, analytische Lösungen nur für die relativ einfache Geometrie erzeugt werden. Für die komplizierte Geometrie ist eine numerische Lösungsmethode wie die begrenzte Element-Methode notwendig.

Methoden mit der numerischen Annäherung

Es ist übliche Praxis, um ungefähre Lösungen von Differenzialgleichungen als die Basis für die Strukturanalyse zu verwenden. Das wird gewöhnlich mit numerischen Annäherungstechniken getan. Die meistens verwendete numerische Annäherung in der Strukturanalyse ist die Begrenzte Element-Methode.

Die begrenzte Element-Methode kommt einer Struktur als ein Zusammenbau von Elementen oder Bestandteilen mit verschiedenen Formen der Verbindung zwischen ihnen näher. So wird ein dauerndes System wie ein Teller oder Schale als ein getrenntes System mit einer begrenzten an der begrenzten Zahl von Knoten miteinander verbundenen Zahl der Elemente modelliert. Das Verhalten von individuellen Elementen wird durch die Steifkeit des Elements oder Flexibilitätsbeziehung charakterisiert, die zusammen zur Steifkeit des Systems oder Flexibilitätsbeziehung führt. Um die Steifkeit des Elements oder Flexibilitätsbeziehung zu gründen, können wir die Mechanik der Material-Annäherung für einfache eindimensionale Bar-Elemente und der Elastizitätsannäherung für kompliziertere zwei - und dreidimensionale Elemente verwenden. Die analytische und rechenbetonte Entwicklung wird am besten überall mittels der Matrixalgebra bewirkt.

Frühe Anwendungen von Matrixmethoden waren für das artikulierte Fachwerk mit dem Bruchband, dem Balken und den Säulenelementen; später und fortgeschrittenere Matrixmethoden, gekennzeichnet als "begrenzte Element-Analyse," modellieren eine komplette Struktur mit einer - zwei - und dreidimensionale Elemente und kann für artikulierte Systeme zusammen mit dauernden Systemen wie ein Druck-Behälter, Teller, Schalen und dreidimensionale Festkörper verwendet werden. Die kommerzielle Computersoftware für die Strukturanalyse verwendet normalerweise Matrixanalyse des begrenzten Elements, die weiter in zwei Hauptannäherungen eingeteilt werden kann: die Versetzung oder Steifkeitsmethode und die Kraft oder Flexibilitätsmethode. Die Steifkeitsmethode ist bei weitem dank seiner Bequemlichkeit der Durchführung sowie der Formulierung für fortgeschrittene Anwendungen am populärsten. Die Technologie des begrenzten Elements ist jetzt hoch entwickelt genug, um so etwa jedes System zu behandeln, so lange genügend Rechenmacht verfügbar ist. Seine Anwendbarkeit schließt ein, aber wird auf, geradlinige und nichtlineare Analyse, feste und flüssige Wechselwirkungen, Materialien nicht beschränkt, die, orthotropic, oder anisotropic und Außeneffekten isotropisch sind, die statische, dynamische und Umweltfaktoren sind. Das deutet jedoch nicht an, dass die geschätzte Lösung automatisch zuverlässig sein wird, weil viel vom Modell und der Zuverlässigkeit des Dateneingangs abhängt.

Zeitachse

• 1452-1519 Leonardo da Vinci hat viele Beiträge geleistet
• 1638: Galileo Galilei hat das Buch "Zwei Neue Wissenschaften" veröffentlicht, in denen er den Misserfolg von einfachen Strukturen untersucht

• 1660: Das Gesetz von Hooke von Robert Hooke
• 1687: Isaac Newton hat "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" veröffentlicht, der die Newtonschen Gesetze der Bewegung enthält
• 1750: Balken-Gleichung von Euler-Bernoulli
• 1700-1782: Daniel Bernoulli hat den Grundsatz der virtuellen Arbeit eingeführt
• 1707-1783: Leonhard Euler hat die Theorie der Knickung von Säulen entwickelt
• 1826: Claude-Louis Navier hat eine Abhandlung auf den elastischen Handlungsweisen von Strukturen veröffentlicht
• 1873: Carlo Alberto Castigliano hat seine Doktorarbeit "Intorno ai sistemi elastici" präsentiert, der seinen Lehrsatz für die Rechenversetzung als partielle Ableitung der Beanspruchungsenergie enthält. Dieser Lehrsatz schließt die Methode von kleinster Arbeit als ein spezieller Fall ein
• 1936: Die Veröffentlichung des zähen Kreuzes der Moment-Vertriebsmethode, die später als eine Form der Entspannungsmethode anerkannt wurde, die auf das Problem des Flusses im Pfeife-Netz anwendbar

• 1941: Alexander Hrennikoff hat seine bezirksSouth Carolinathese in MIT auf dem discretization von Flugzeug-Elastizitätsproblemen mit einem Gitter-Fachwerk vorgelegt
• 1942: R. Courant hat ein Gebiet in begrenzte Subgebiete geteilt
• 1956: J. Turner, R. W. Clough, H. C. Martin und das Papier von L. J. Topp auf der "Steifkeit und Ablenkung von Komplizierten Strukturen" führen den Namen "Methode des begrenzten Elements" ein und werden als die erste umfassende Behandlung der Methode weit anerkannt, wie es heute bekannt ist

Links

• Einfluss - Dynamisches Begrenztes Element-Programm-Gefolge, für dynamische Ereignisse wie Unfälle, die in Java, GNU-Lizenz geschrieben sind
• Ein historischer Umriss der Matrixstrukturanalyse: Ein Spiel in drei Gesetzen
• Bewertung von Probabilistic von Strukturen mit der Simulation von Monte Carlo durch Jan Hlavacek
• FEM Anwendungen in der Strukturanalyse. AVI-Galerie an der Seite von CompMechLab, dem St. Petersburger Staat Polytechnische Universität, Russland
• Frame3DD öffnen Quelle 3D-Strukturanalyse-Programm
• Ocframe öffnen Quelle 2. Strukturanalyse in der GNU-Oktave