Follower Effect of the Axisymmetric Shells under External Pressure

축대칭 쉘 구조물에 작용하는 외압의 부가효과

The shell due to the effect of initial normal pressures on the shell surface was based on the assumption that the directions of the pressures are always normal to the undeformed shell surface, and that the change in the surface area of the shell is negligible. But the fact that the pressure are always normal to the deforming surface leads "follower force". The follower effect in the analysis can significantly alter the solution for natural frequency and buckling load as compared to the case when the direction of the pressures are assumed to be normal to the uniform shell surface. The expression for the part of strain energy contribution from normal pressure due to the effect of follower force was derived and added to the element stiffness matrix of axisymmetric shell. In the case of increasing external pressure, the natural frequencies decrease until one of them reaches zero. Theoretically the smallest applied load that reduces the frequency of any mode to zero, will have same magnitude as that of the buckling load. In order to determine the bucking load of the shell a few sets of frequencies are computed and the results considering the follower effects are well with the exact solution while the case without that are quite different. But in case of hemispherical dome, there are little difference in buckling pressure between with and without the effect of follower force.

일반적으로 쉘 표면에 수직한 압력은 변형 전 쉘 표면에 수직한 방향으로 작용한다고 가정하고 쉘 표면의 변형으로 인한 표면적의 변화를 고려하지 않음으로써 이에 의한 변형에너지를 무시한다. 그러나, 변형된 쉘 표면에 수직으로 작용하는 압력은 고유진동수와 좌굴하중에 큰 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서는 구조물의 변형에 의한 쉘 단면적의 변화와 압력의 방향변화에 대한 변형에너지를 구하고 이를 변분하여 부가매트릭스를 산정하였다. 이를 축대칭요소에 추가하여 전산구조해석을 통해 외압의 부가효과를 고려한 고유진동수를 계산하였다. 외압의 크기가 증가함에 따라 쉘 구조물의 고유진동수는 감소하며, 고유진동수가 영이 될 때의 외압의 크기를 좌굴하중으로 볼 수 있다. 이를 이용하여 정해가 존재하는 원통 쉘에 적용한 결과 유사한 해를 얻을 수 있었으며, 부가효과를 고려하지 않았을 경우는 상당한 차를 나타내었다. 그러나, 반구형 돔에서는 원통 쉘에 비해 압력의 부가효과가 거의 나타나지 않는 것으로 나타났다.