Журнал Magazine of Civil Engineering
DOI:10.18720/MCE.89.4
Авторы: В. В. Лалин, А. Н. Дмитриев, С. Ф. Дьяков

В статье рассматривается плоская круговая двухшарнирная арка, нагруженная потенциальной «мертвой» нагрузкой. Для описания напряженно-деформированного состояния и устойчивости равновесия используется геометрически точная теория, в соответствии с которой каждая точка стержня имеет две трансляционные степени свободы и одну вращательную, не зависящую от трансляционных. Для получения решения не используются никакие упрощения о величинах перемещений и углов поворота, а также учитываются все жесткости стержня – продольная, сдвиговая и изгибная.  Получены точные нелинейные дифференциальные уравнения статической задачи. Сформулирована вариационная постановка в виде задачи поиска точки стационарности функционала типа Лагранжа. Доказана эквивалентность дифференциальной и вариационной постановок. Получены точные уравнения устойчивости, учитывающие геометрически нелинейное деформирование в докритическом состоянии.  На основе полученных уравнений решена задача устойчивости равновесия круговой арки при действии «мертвого» радиального давления с учетом всех жесткостей стержня. Получено характеристическое трансцендентное уравнение, а также асимптотическое решение этого уравнения в виде простых формул, пригодных для практического применения. Выполнено сравнение полученного решения, учитывающего все жесткости стержня, с классическим решением, учитывающим только изгибную жесткость.

Nonlinear deformation and stability of geometrically exact elastic arches 

"Magazine of Civil Engineering"

Authors: V.V. Lalin, A.N. Dmitriev, S.F. Diakov

In the present paper a plane round double-hinged arch under the potential dead load is investigated. To describe the stress-strain state and the equilibrium stability the geometrically exact theory is used. According to this theory every point of the bar has two translational degrees of freedom and one rotational, which is independent from the previous two. To solve the problem no displacements are simplified and all the stiffnesses are used: axial, shear and bending. Exact nonlinear differential equations are found for the static problem. A variational definition for the problem is defined as finding a stationary point of Lagrange functional. The match of the differential and variational formulations is shown. Exact stability equations accounting non-linear geometric deformations in pre-buckling state were worked out. The problem of the equilibrium stability of the round arch under the potential dead load was solved using the obtained equations regarding all the bar’s stiffnesses. The characteristic transcendental equation and its asymptotic solution as simple formulas, suitable for practical application, were worked out. The comparison of described solution which regards all the bar’s stiffnesses and classical solution, based on bending stiffness, was made.