Kursöversikt
TME186 Structural mechanics lp2 HT19 (7,5 hp)
Kursen ges av institutionen för Industri- och materialvetenskap
Kontaktuppgifter
Examinator: Mats Ander, 031 772 1972, mats.ander@chalmers.se
Kursansvarig: Karl-Gunnar Olsson, 031 772 2350, kgo@chalmers.se
Handledare: Carolyn Oddy, 031 772 1977, carolyn.oddy@chalmers.se
Handledare: Joel Hilmersson, 076 8761760, joelhi@student.chalmers.se
Matlabrepetition: Ahmet Erturk, 031 772 1227, erturk@chalmers.se
Kursens syfte
Kursen tränar förmåga att formulera beräkningsmodeller för två- och tredimensionella fackverk och ramverk och att genomföra såväl linjära som ickelinjära beräkningar. Samtidigt tränar kursen en blick för växelspelen mellan strukturmekanikens grundläggande mekanismer och de kraftmönster som framträder i olika formgivningsuppgifter. Den matrisformulerade analysmetodik (förskjutningsmetod) som tillämpas är en handfast och praktisk introduktion till den så finita elementmetoden (FEM). Metodikens generalitet och räckvidd visas också genom tillämpningar på endimensionella potentialproblem som värmeledning och elektrisk strömning.
Strukturmekaniken i AT-programmet
Kursen tillämpar kunskaper och färdigheter främst från matematik (ordinära differentialekvationer, linjär algebra, och beräkningsmatematik), mekanik och hållfasthetslära. Parallellt med kursen löper arkitekturprojektet Arkitektur och optimerade strukturer där kurs och projekt interagerar kring färdigheter i att formulera och i en designprocess arbeta med strukturmekaniska koncept.
Schema
Kurslitteratur och programvara
[1] Dahlblom O och Olsson K-G: Strukturmekanik - modellering och analys av ramar och fackverk. 2:a uppl. Studentlitteratur, Lund 2015. Finns på Cremona.
[1] Olsson K-G, Dahlblom O, Structural Mechanics – Modelling and Analysis of Frames and Trusses. Wiley, Chicester, UK 2016. (engelskspråkig upplaga som kan beställas på nätet)
[2] Austrell P-E, Dahlblom O, Lindemann J, Olsson A, Olsson K-G, Persson K, Petersson H, Ristinmaa M, Sandberg G, Wernberg P-A: CALFEM – A finite element toolbox. Version 3.4. KFS i Lund AB, Lund 2004.
Tryckt bok finns på Cremona.
Pdf finns online: http://www.solid.lth.se/fileadmin/hallfasthetslara/utbildning/kurser/FHL064_FEM/calfem34.pdf
Programkod finns installerad på Chalmers datorer samt online: http://www.byggmek.lth.se/resurser/programvara/calfem/
[3] Ottosen N S, Ristinmaa M, Ljung C: Hållfasthetslära - Allmänna tillstånd. Studentlitteratur, Lund 2007.
Kursens upplägg
Kursen består av föreläsningar, övningar, obligatoriska inlämningsuppgifter och en större obligatorisk seminarieuppgift. Nedan presenteras kursens olika delar.
Föreläsningar och övningar
Vecka 45
Tisdag 5/11 08-12 SB-H8 Föreläsning (KGO, MA)
Kursintroduktion TME186, TME305 (KGO, MA)
Sammanfattning av matrisalgebra (MA)
Diskreta system (KGO)
Introduktion till inlämningsuppgifter (LW, JH)
Onsdag 6/11 08-10 SB-H8 Föreläsning (KGO)
Diskreta system, Fackverk
10-15 D309 Matlab övning (AE, JH)
13-15 D509 Matlab övning (AE, JH)
Fredag 8/11 08-10 D409 Övning
10-12 SB-H8 Föreläsning (KGO)
Fackverk
13-15 D409 Övning
17.00 Inlämning 1
Vecka 46
Tisdag 12/11 08-10 D409 Strukturmekanik övning
10-12 SB-H8 Strukturmekanik föreläsning (MA)
Fackverk, Ramverk
Onsdag 13/11 08-10 D409 Övning
Fredag 15/11 08-10 D409 Övning
10-12 SB-H8 Föreläsning (KGO)
Ramverk
13-15 D409 Övning
17.00 Inlämning 2
Vecka 47
Måndag 18/11 13-17 Runan Design & konstruktionsdagen
Freeform Timber Structures
Tisdag 19/11 08-10 D409 Övning
10-12 SB-H8 Föreläsning (KGO)
Ramverk
13-15 D080 Övning
Onsdag 20/11 08-10 SB-H3 Föreläsning (MA)
Tredimensionella strukturer
Torsdag 21/11 08-10 D025 Övning
Fredag 22/11 08-10 D409 Övning
10-12 SB-H8 Föreläsning (KGO)
Modellering på systemnivå
17.00 Inlämning 3
Vecka 48
Tisdag 26/11 08-10 D409 Övning
10-12 SB-H2 Föreläsning (KGO)
Modellering på systemnivå
Onsdag 27/11 08-10 D409 Övning
Fredag 29/11 08-10 D409 Övning
10-12 SB-H8 Föreläsning (KGO)
Modellering på systemnivå
Konceptuell design, M-diagram
17.00 Inlämning 4
Vecka 49
Tisdag 3/12 08-10 D409 Övning
10-12 SB-H2 Föreläsning (MA)
Fjädrande upplag
13-15 SB-H4 Föreläsning (KGO)
Konceptuell design
Onsdag 4/12 08-10 D080 Övning
10-12 SB-H8 Föreläsning (MA)
Fjädrande upplag
Fredag 6/12 08-10 D409 Övning
10.00 Inlämning 5
Vecka 50
Tisdag 10/12 08-10 D409 Övning
10-12 L285 Föreläsning (KGO)
Analogier
13-15 L285 Föreläsning (KGO)
Konceptuell design
Onsdag 11/12 08-10 D409 Övning
10.00 Inlämning 6
Vecka 51
Måndag 16/12 08-17 Eget arbete med seminarieuppgift
Tisdag 17/12 08-12 SB-H8 Föreläsning (KGO)
Geometrisk ickelinjäritet
13-15 D040 Övning
Onsdag 18/12 08-10 D409 Övning
10-16 Eget arbete med seminarieuppgift
Torsdag 19/12 08-10 D025 Övning
10-12 SB-H8 Föreläsning (MA)
Materiell ickelinjäritet
13.15 P4 Extra Mastersinfo AT3
13-17 Eget arbete med seminarieuppgift
17.00 Inlämning 7
Fredag 20/12 10-15 L300 Seminarium (KGO)
15-16 L300 Kursavslutning
Vecka 3
Onsdag 15/1 13-17 L300 Repetition (KGO)
Fredag 17/1 08.30 Tentamen (5 timmar)
Övningsuppgifter
Nedan följer en lista över de övningsuppgifter som rekommenderas att lösa. Ett tips är att alltid börja med inlämningsuppgifterna. Några kommentarer:
- Alla uppgifter utom de som inleds med ”ex” finns i kursboken [1]. Uppgifter som inleds med ”ex” är typuppgifter som visar hur beräkningsalgoritmer kan utformas. Dessa finns i CALFEM-manualen [2].
- Fet stil anger uppgifter som löses med CALFEM. För övriga uppgifter gäller att Matlab får användas som en avancerad räknare, t.ex. för att rita grafer och utföra matrismultiplikationer. Däremot ska CALFEM-funktioner inte användas.
- Asterisk* markerar uppgifter där det är lämpligt att inleda uppgiften med att uppskatta/skissa ett svar. Välj främst att skissa deformationsfigurer och snitt-kraftsdiagram. Gör det gärna i grupp och lägg maximalt 5-10 minuter på detta. Fundera efteråt på skillnaden mellan uppskattat och beräknat resultat och diskutera. Att gissa helt fel kan vara nog så lärorikt som att gissa nästan rätt. Denna punkt handlar om övningsuppgifter som kan träna lärandemålet: att kritiskt kunna bedöma beräkningsmodeller och beräkningsresultat. Detta mål är i sin allmänna formulering ett högt ställt mål. Kursens ambition är att initiera ett förhållningssätt och ge verktyg för lärandemålet. Att fullt ut nå målet kräver fortsatt lång träning efter kursens slut. Men en resa måsta alltid ha sin början.
Avsnitt Uppgifter
1. Matrisalgebra 1-1, 1-2, 1-3, 1-4a, 1-5, 1-6, 1-7, exi1 – exi6
2. System av kopplade fjädrar 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, exs1
3. Stänger och fackverk 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, 3-5*, 3-6*, 3-7, 3-8, 3-9, 3-10,
3-11*, exs3, 3-12
4. Balkar och ramverk 4-1, 4-2, 4-3, 4-4, 4-5*, 4-6, 4-8*, exs6, 4-9, 4-11,
exs7, 4-12*, 4-13*
5. Modellering på systemnivån 5-1, 5-2, 5-3*, 5-4, 5-5, 5-6, 5-7, 5-8*, 5-1
6. Fjädrande upplag 6-1*, 6-2, 6-3*, 6-3, 6-4*, 6-5*, 6-6*
7. Tredimensionella strukturer 7-1, 7-2, 7-3*, 7-4, 7-5, 7-6, 7-7
8. Flöden i nätverk 8-1, exs2, 8-2, 8-3, 8-4, 8-5
9. Geometrisk ickelinjäritet 9-1, 9-2, 9-3, 9-5, 9-6, 9-7, 9-8
10. Materiell ickelinjäritet ---
Inlämningsuppgifter och inlämningsformat
I kursen ingår sju obligatoriska inlämningar i vilka följande övningsuppgifter ska redovisas.
Inlämning 1: 2-1, 2-2
Inlämning 2: 3-4, 3-5, 3-6, 3-111), 3-12
Inlämning 3: 4-32), 4-42), 4-52)
Inlämning 4: 4-8 1),3), 4-9, 4-13
Inlämning 5: 7-3, 7-7, 5-5, 5-6
Inlämning 6: 6-3, 6-5
Inlämning 7: 8-5, 9-6, 9-7
1) Redovisa beräkningsstruktur och delresultat men inte matrisoperationer.
2) OK att skriva egna Matlabrutiner för att lösa uppgiften.
3) Deluppgift h). Beräkning av max-moment räcker för uppritning av M-diagram.
Inlämningarna ska vara logiskt uppställda, kortfattade samt snyggt och prydligt redovisade. Att kunna lämna ifrån sig tydliga och lättlästa redovisningar är en lika viktig ingenjörsegenskap som att kunna formulera modeller och att räkna rätt. En välstrukturerad inlämning är uppbyggd på följande sätt:
Försättsblad
- Uppgift 1
- Figurer och förutsättningar
- Handberäkningar (om använt)
- Sammanfattning av resultat samt plottar
- Matlab-kod
- Uppgift 2
- Figurer och förutsättningar
- ...
Försättsblad innehåller: kurskod, kurs, inlämningsnummer, namn och födelse-datum.
Figurer och förutsättningar innehåller:
- Figur med last och geometri
- Figur som visar den numeriska modellen med element och frihetsgrader
- Tabell som anger material och tvärsnittsdata
- Kommentar om vilka upplagsvillkor som gäller.
- I några fall kan de valda förutsättningarna kräva en förklaring eller en motiverande beräkning.
Handberäkningar innehåller snyggt uppställda handberäkningar med hänvisningar till formler i boken eller från tabellverk.
Sammanfattning av resultat samt plottar lyfter fram de efterfrågade resultaten på ett tydligt och överskådligt sätt. Snittkraftsdiagram, deformationsfigurer, etc. ger en bättre bild av resultatet än en lista med resultatutskrifter. Enheter är viktiga!
Matlab-kod. Använd publish eller (echo on/echo off). Delresultat skall skrivas ut. Plottar behövs inte här, utan dessa tillhör sammanfattning av resultat.
Tänk så här - den som rättar inlämningsuppgiften sitter som chef på ett konsult-företag. Du får ett enkelt beräkningsuppdrag. Du lämnar in resultatet, och chefen ska direkt kunna skicka resultatet vidare till en kund. Handskrivet och snyggt textat är helt OK. Väsentligheter lyfts fram. Datorberäkningar är alltid bilagor.
Inlämningsuppgifterna redovisas enskilt eller i grupp om maximalt två studenter och lämnas in senast vid den tidpunkt som anges i utdelat schema. Uppgifterna lämnas på PingPong. Misstänkta plagiat anmäls till disciplinnämnden, se regelsamlingen:
Seminarieuppgift
I kursen ingår också en obligatorisk seminarieuppgift. Uppgiften genomförs i grupper om 3 till 4 personer.
Uppgiften relaterar till ingenjörens designarbete som i praktiken ofta sker i team där man i dialog bollar olika idéer om konstruktionsprinciper och utformning med varandra. Tankar om verkningssätt, beräkningsmodeller, och olika funktions- och gestaltningsönskemål diskuteras. Förfinande analyser där man är osäker på verkningssättet eller vill övertyga myndigheter, övervägs.
Genom att lyfta fram tre väsentliga delar - uppgiftens kontexter, strukturmekaniska koncept samt grova modeller och enkla överslag - syftar uppgiften till att närma sig ett sådan designdialog. Vi väljer här att utgå från befintliga byggnadsverk och lämpligen byggnadsverk från studieresan i Schweiz eller från Göteborg, t.ex. Älvsborgsbron eller Feskekörka.
Redovisningen består av en powerpoint-presentation:
4-5 sidor bör innehålla:
- Byggnadsverket – bild, namn på byggnaden, namn på arkitekt och ingenjör, namn på er själva.
- Allmänna kontexter – var byggnadsverket är beläget (globalt och lokal kontext), syftet med byggnadsverket, etc.
- Strukturmekanisk kontext – grundförhållanden, formgivande yttre belastningar, material- och produktionsförutsättningar.
- Något om beräkningskunnande och regelverk vid tiden för byggnadsverkets uppförande.
- Referenser – förebilder som kan ha haft betydelse för byggnadsverkets utformning.
och 4-5 sidor ska innehålla:
- Strukturmekaniskt koncept – se nedan.
- Överslagsberäkning – enkel överslagsanalys som ger en kvalitativ uppfattning kring något avsett verkningssätt hos byggnadsverket. Använd Pointsketch och/eller enkla handberäkningar. Överslaget ska ge kvalitativ information: t.ex. kraftmönster, uppskattning av egentyngd relativt efterspänd “tyngd”, etc.
- Beräkningsmodell(er) med motiv för valen av element, frihetsgrader och randvillkor, för analys i CALFEM. Resonemanget kring val av modell är det centrala i uppgiften.
Att formulera ett strukturmekaniskt koncept handlar om att kunna beskriva och berätta om hur man har tänkt sig att byggnadsverket ska fungera när det bär olika laster. Så här skulle en redovisning kunna vara:
- Välj en eller flera av de fyra belastningstyperna: vertikal last, horisontell last, ogynnsam punktlast och/eller temperaturutvidgning.
- Skissa topologi/logisk ordning (3D skisser som visar: stöd, primärbärning, sekundärbärning, etc.) för den valda lasten.
- För resp. primärbärning, sekundärbärning, etc., namnge konstruktionstypen: fritt upplagd balk, kontinuerlig balk, konsolbalk, fackverk, båge, lina, etc.
Seminarieuppgiften tränar här förmågan att kunna göra övervägda val av beräkningsmodeller och att kunna förutsäga och reflektera över beräknade resultat. Denna förmåga finns uttryckt i flera av kursens lärandemål: att i ett tidigt designskede kunna styra mot ett önskat verkningssätt (lärandemål 2 och 4) att formulera en rimlig beräkningsmodell (lärandemål 2 och 5) och att ha en uppfattning om förväntade beräkningsresultat (lärandemål 4 och 5).
Kursutvecklingsarbete
I kursutvärderingarna för 2017 och 2018 års kurs var kritiken övervägande positiv (sammanfattande intryck av kursen 4,25 resp. 4,82) men det finns alltid moment att förbättra.
Utveckling de senaste åren som fungerat väl och som vi också har bevakat vid årets planering:
- Tydligare CALFEM-introduktion.
- Översyn hur arbetet läggs upp i seminarieveckan samt goda exempel på seminarieuppgifter.
- Schemalagd tentamensräkning i tentamensveckan.
- Tidigare års föreläsningar utlagda på kurshemsidan inför kursstart.
- Fler övningar kring uppritning av momentdiagram.
Från 2018 års kursutvärdering är följande åtgärdat:
- Extra övningstid med handledning i samband med inlämning 4.
Under årets kurs genomförs 3 kursnämndsmöten tillsammans med kursnämnds-representanter och studienämnd. Den avslutande kursnämnden baseras på en kurs-enkät som går ut till alla efter avslutad kurs. Alla kursdeltagare får också gärna lämna synpunkter, konstruktiv kritik och kommentarer direkt till lärarna.
Framlottade kursnämnds-representanter:
Ellen Jonsson
Johan Lindqvist
Johanna Olin
Rick Persson
Hanna Vedin
Lärandemål
(1) genomföra härledningar av strukturmekanikens matrisfomulerade samband på systemnivå utgående från 2D och 3D stångverkan, balkverkan och vridverkan samt vid fjädrande stöd, geometrisk och materiell ickelinjäritet.
(2) formulera sunda beräkningsmodeller för strukturmekaniska system innefattande: 2D och 3D fjädrar, stänger och balkar; symmertri, inre leder, bivillkor och statisk kondensering; fjädrande stöd; samt geometrisk och i någon mån materiell ickelinjäritet.
(3) tillämpa Calfem/Matlab som beräkningsverktyg.
(4) övergripande beskriva strukturers verkningssätt och kunna skissa snittkraftsdiagram utan att räkna.
(5) kritiskt bedöma beräkningsmodeller och beräkningsresultat.
(6) formulera beräkningsmodeller för potentialproblem med 1D flöden.
Examination
För att erhålla slutbetyg krävs:
godkänd tentamen,
godkända inlämningsuppgifter samt
godkänd seminarieuppgift
Tentamen är skriftlig, och består av 6 - 8 uppgifter. Tillåtna hjälpmedel är CALFEM-manual och typgodkänd räknare. Noteringar och förtydliganden är tillåtna i CALFEM-manualen men ej lösta exempel. Maximalt kan 60 poäng erhållas, varav 30 poäng erfordras för godkänt. Tentamenstiden är 5 timmar.
Under förutsättning att tentamen är godkänd kan maximalt 0.5 bonuspoäng från varje inlämningstillfälle (inlämningsuppgifter och seminarieuppgift) få läggas till tentamensresultatet. En förutsättning för dessa bonuspoäng är rätta eller nästan rätta, välskrivna och i tid inlämnade uppgifter. Maximalt 4 bonuspoäng kan erhållas. Den sammanlagda bonuspoängen avrundas till närmaste heltal och kan endast tillgodoräknas vid tentamens- och omtentamenstillfällen det läsår kursen ges.
Slutbetyg vid ordinarie tentamen ges enligt följande skala:
30 - 39 poäng ger betyget 3
40 - 49 poäng ger betyget 4
50 - 60 poäng ger betyget 5
Ordinarie tentamenstillfälle är planerat till fredag den 17/1, 08.30-13.30 (5 timmar). Ändringar kan ske - stäm alltid av dag och tid med LADOK.
Omtentamen erbjuds vid två tillfällen efter ordinarie tentamen efter överenskommelse med kursansvarig.
Länk till kursplanen i Studieportalen
https://www.student.chalmers.se/sp/course?course_id=29862
Kurssammanfattning:
| Datum | Information | Sista inlämningsdatum |
|---|---|---|