نشریه علمی سازه و فولاد

نشریه علمی سازه و فولاد

بررسی پایداری ستون‌های غیرمنشوری با استفاده از ترکیب روش سری‌های توانی و بسط مک لورن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه کاشان
2 دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
چکیده
تحلیل کمانشی ستون‌ها به عنوان اصلی‌ترین عضو سازه‌ای از جایگاه ویژه‌ای در تحقیقات مهندسی برخوردار است. امروزه استفاده از ستون‌های غیرمنشوری در قاب‌ها به علت افزایش پایداری و کاهش وزن سازه و به تبع آن کاهش نیروهای زلزله، افزایش یافته است. در بررسی پایداری ستون‌ها مهمترین موضوع، تعیین نیروی کمانش بحرانی می‌باشد. بدین منظور بایستی معادله دیفرانسیل پایداری حاکم  را حل نمود. در بسیاری از مطالعات، حل معادله دیفرانسیل مذکور، با استفاده از روش‌های تحلیلی امکان پذیر نبوده و در این راستا محققان از روش‌های عددی برای حل معادله دیفرانسیل حاکم و تعیین نیروی کمانشی بهره می‌گیرند. سری‌های توانی یکی از روش‌های عددی قدرتمند و پیشرفته در حل معادلات دیفرانسیل خطی با ضرایب متغیراست که در علوم مهندسی کاربردهای فراوانی دارد. در این تحقیق ، تغییرات مقطع به صورت توابع توانی با درجه یک تا چهار و همچنین به صورت تابع نمایی در نظر گرفته شده است. تغییرات مقطع به صورت تابع نمایی یکی از خاص‌ترین حالات ستون‌های غیرمنشوری است که کمتر روشی قادر به حل معادله دیفرانسیل پایداری حاکم بر این ستون‌ها بوده است. در ادامه، معادله دیفرانسیل پایداری حاکم بر ستون‌ها با مقطع متغیر و شرایط تکیه‌گاهی متفاوت با استفاده از بسط سری‌های توانی و در نظر گرفتن تغییرات صلبیت خمشی مقطع به صورت بسط مک لورن حل می‌گردد و بار کمانش بحرانی الاستیک با استفاده از روش حل مقادیر ویژه محاسبه می‌شود. نتایج حاصل از حل مثال‌های عددی با روش فوق در مقایسه با نتایج حاصل از سایر روش‌های موجود، بیانگر این است که سری‌های توانی به عنوان یکی از روش‌های بسیار قدرتمند در حل معادلات دیفرانسیل پیچیده، از دقت کافی و سرعت بالا در تحلیل پایداری الاستیک ستون‌ها با مقطع متغیر برخوردار هستند. 
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Stability Analysis of Non-prismatic Columns Using the Combination of Power Series Method and McLaurin Expansion

چکیده English

Buckling analysis of column as the primary structural member has a special place in engineering research. Because of increasing stability and reducing structural weight and consequently reducing earthquake forces, the use of non-prismatic columns in frames have increased recently. The most important issue in the stability of column is to determine the critical buckling force. For this purpose, the stability differential equation should be solved. In many studies, the solution of differential equation using analytical methods are not possible.
 In this regard, researchers use numerical methods for solving the governing equilibrium equation and determine buckling load, respectively. Power series method is one of the most powerful and advanced numerical methods for solving linear differential equations with variable coefficients which has many applications in science and engineering. In this study, columns’ cross-sections change by power functions and or exponential ones. Exponential variation is one of the most special states of non-prismatic columns that lees methods are able to solve its governing differential equation. Therefore, the stability differential equations governing the non-prismatic columns with different boundary conditions solved by using power series expansion and considering the flexural rigidity changes as a McLaurin expansion. The elastic critical buckling load calculated by solving eigenvalues. The results of numerical examples solved with this method compared with the results of other methods, indicates that the power series methods as one of the most powerful methods for solving complex differential equations,  has sufficiently accurate and high speed  in stability analysis of elastic columns with variable cross sections.

کلیدواژه‌ها English

Elastic stability
non-prismatic columns
critical buckling load
power series method
McLaurin expansion

  • تاریخ دریافت 09 مرداد 1403
  • تاریخ اولین انتشار 09 مرداد 1403
  • تاریخ انتشار 01 آذر 1397