Zmiany właściwości dynamicznych hali stalowej na skutek wypełnienia ścian płytami osłonowymi z bl.pdf

XLVIII KONFERENCJA NAUKOWA

KOMITETU INŻ YNIERII LĄ DOWEJ I WODNEJ PAN

I KOMITETU NAUKI PZITB

Opole – Krynica

2002

Roman CIESIELSKI 1

Paweł FISZER 2

Marian GWÓŹDŹ 3

Krzysztof KOZIOŁ 4

ZMIANY WŁ AŚ CIWOŚ CI DYNAMICZNYCH HALI STALOWEJ

NA SKUTEK WYPEŁ NIENIA Ś CIAN PŁ YTAMI OSŁ ONOWYMI

Z BLACH STALOWYCH

1. Przedmiot rozważań

Stalowe hale przemysłowe mają na ogół główną konstrukcję noś ną prę tową (słupy- belki), a

ś ciany zewnę trzne utworzone są poprzez wypełnienie płaszczyzny pomię dzy słupami i belkami

poziomymi. Wypełnienie to wykonywano jako ś ciany ryglowe z zewnę trzną wyprawą lub bez,

ś ciany ceglane lub pustakowe, ś ciany z prefabrykatów ceramicznych a ostatnio coraz częściej i

efektywniej wypełnianie to wykonuje się ze stalowych blach profilowych lub z płyt złożonych z

dwóch blach profilowych poś rodku z materiałem izolacyjnym np. styropianem. Istnieje wiele

firmowych rozwią zań konstrukcji takich osłonowych elementów ś ciennych, które stosowane są

powszechnie. Głównym zadaniem tak utworzonej ś ciany jest rozdzielenie przestrzeni lub

oddzielenie strony zewnę trznej od wnę trza hali a bardzo istotne są tu dodatkowo właściwoś ci

izolacyjne, cieplne, odporność na wpływy atmosferyczne (zmiany temperatur, nasłonecznienie,

opady), a także mogą wchodzić w grę izolacyjne właściwoś ci akustyczne oraz dynamiczne (gdy

wystę pują drgania i wstrzą sy mechaniczne). Dla optymalnego spełnienia tych zadań- łą cznie z

łatwoś cią montażu i wymiany oraz rozliczeniem strony ekonomicznej dobiera się odpowiednie

wypełnienie izolacyjne. Sprawy te posunęły się już tak daleko, że opracowano europejskie

wytyczne realizacji, montażu i badania takich wypełnień płytowych (ECCS [1]). Instrukcja ta nie

podaje jednak żadnych uwag lub zaleceń odnoś nie do właściwoś ci dynamicznych wypełnionej

konstrukcji i sposobu ich badania.

Generalnie w analizie takich konstrukcji nie uwzglę dnia się roli statycznej i dynamicz-

nej wypełnień ś cian, co ma kilka aspektów technicznych i ekonomicznych:

a) Wypełnienia zmieniają pracę statyczną całej konstrukcji, z reguły zwię kszają c

sztywność w stosunku do samego szkieletu. Dużo zależy tu od sposobu wzajemnego

połą czenia elementów płyt oraz połą czenia ich ze szkieletem stalowym.

b) Zmieniają właściwoś ci dynamiczne tej konstrukcji. Można się spodziewać zmian

czę stotliwoś ci drgań własnych przez zwię kszenie masy (obniżenie) i przez zwię kszenie

sztywnoś ci (podwyższenie) oraz zmiany tłumienia drgań i ich absorpcji.

1 Prof. dr hab. inż. Wydział Inżynierii Lą dowej Politechniki Krakowskiej

2 Mgr inż. M. E. Polska

3 Dr hab. inż. prof. PK Wydział Inżynierii Lą dowej Politechniki Krakowskiej

4 Mgr inż. Wydział Inżynierii Lą dowej Politechniki Krakowskiej

Pozytywna rola tych rozwią zań to zwię kszenie noś noś ci konstrukcji zarówno

statycznej jak i dynamicznej oraz zwię kszenie trwałoś ci.

Uję cie tych zmian w analizach nie jest proste, gdyż decyduje właściwy dobór ich

fizycznego modelu i potem opisu matematycznego. Najwłaś ciwszym sposobem wydaje się tu

podję cie klasycznej metody doboru i identyfikacji modelu poprzez badania doś wiadczalne w skali

naturalnej. Badania takie podję to dla dwuprzę słowej hali stalowej, nazwanej dalej w skrócie P.F.

2. Opis rozważanej konstrukcji P.F. i przeprowadzonych bada ń

Geometrię konstrukcji hali P.F. podano na rys. 1 wraz z rozmieszczeniem punktów pomiaro-

wych. Wypełnieniu podlegały zewnę trzne ś ciany o wymiarach 6,0/7,89m. Analizowano

m. in. nastę pują ce przypadki drgań własnych:

§ O - sama konstrukcja nie usztywniona - czysta rama, wyjś ciowy stan odniesienia,

§ P - konstrukcja usztywniona wiotkim stężeniem prę towym Ф 16 w jednym przęśle,

§ F - konstrukcja usztywniona tarczą wykonaną z kaset K110 o wymiarze 12x7,20m,

montaż zgodny z wytycznymi ECCS,

§ FTR - jw. lecz dodatkowo kasety wypełnione izolacją oraz obudowane blachą

trapezową TR 35, montaż zgodny z wytycznymi ECCS,

§ H - konstrukcja usztywniona tarczą wykonaną z kaset HV 100SR o wymiarze

12x7,20m, montaż zgodny z wytycznymi ECCS,

§ H1 - konstrukcja usztywniona tarczą wykonaną z kaset HV 100SR o wymiarze

6x7,20m, montaż zgodny z wytycznymi producentów; tzn. rozstaw łą czników

uszczelniają cych co 600 mm; brak połą czeń poś rednich,

§ H3 - konstrukcja usztywniona tarczą wykonaną z 4 kaset HV 100SR o wymiarze

6x2,40m, montaż zgodny z wytycznymi ECCS; jest to przypadek tarczy

umieszczonej nad bramą .

Rys. 1. Rozmieszczenie punktów pomiarowych przemieszczeń dynamicznych

Stosowane wypełnienia to kasety „Florprofile” dwie 110/600 grubość t = 0,75 mm,

długość 11980 mm oraz kasety „Haironville” 100/600 SR gruboś ci t = 0,75 mm i długoś ci

5980 mm, (por.[2], [3]).Przekroje kaset pokazano na rys. 2.

Rys. 2. a) płyta FLORPROFILE typ 110/600/0,75 mm;

b) płyty HAIRONVILLE typ 100/600/0,75 mm

Badania dynamiczne in situ przeprowadzono poprzez obciążenie impulsowe realizowa-

ne statycznym nacią giem liny mocowanej w górnym węźle z pomiarem siły a nastę pnie z

nagłym odciążeniem (rys. 3), mierzą c drgania konstrukcji. Stosowana aparatura pomiarowa

przy jednym pomiarze to sześć akcelerometrów i cztery czujniki drogi, których miejsca

założenia pokazano na rys. 1. Uzyskane z rejestracji zapisy drgań poddano wszechstronnej

obróbce oraz dokonano ewaluacji wyników – uzyskują c spektra drgań własnych, postacie

oraz tłumienia drgań.

Rys. 3. Schemat realizacji badań dynamicznych

Kilka przykładów zapisów drgań pokazano na rys. 4 5 . Wszystkie pomiary wykonane

zostały w cią gu 10 dni, a warunki zewnę trzne (temperatura, wilgotność powietrza, układ

czujników) można uznać za jednolite dla wszystkich serii pomiarowych i stą d są one

porównywalne. Wykonano obszerny cykl badań statycznych, których przebieg i wyniki

przedstawiono oddzielnie (por. [3], [4]). Umożliwiło to wzajemne odniesienie sztywnoś ci

oraz okreś lenia tzw. współczynników dynamicznych. Stosowane rzeczywiste wartoś ci sił

nacią gowych liny napinają cej oraz wstę pnych przemieszczeń górnego węzła ramy „A”

podano w tab. 1.

Zerwanie w kierunku X – siła 15.7 kN – pomiar 57

Rys. 4. Przykłady analiz widmowych pomierzonych drgań:

a) Spektrum przemieszczeń w punkcie 3x (rys. 1)

b) Spektrum przyspieszeń w punkcie 4x (rys. 1)

Wybrane wyniki z pomiarów in situ podano w tab. 2. Są to czę stotliwoś ci uzyskane z

analizy spektralnej wibrogramów oraz logarytmiczne dekrementy tłumienia drgań (metody

wyznaczenia – por. [9] – podano w tab. 3).

5 Stronę techniczną badań zrealizowała, wg programu zaproponowanego przez Autorów

niniejszej publikacji, ekipa Laboratorium Badania Odkształceń i Drgań Budowli Instytutu

Mechaniki Budowli pod kierunkiem inż. Antoniego Abratańskiego. Pełne sprawozdanie z

pomiarów publikowane jest oddzielnie.

Tablica 1. Siły napinają ce i przemieszczenia uzyskane z badań konstrukcji in situ

Typ

konstrukcji

Siła napinają ca

Przemieszczenie

statyczne mm

Max.

przemieszczenie

dynamiczne mm

Współczynnik

dynamiczny (4):

(3)

2,10

24,35

36,58

1,502

13,20

5,20

7,14

1,375

12,70

0,51

0,61

1,187

FTR

15,70

0,70

0,83

1,174

12,00

0,51

0,54

1,062

H 1

12,70

6,67

7,42

1,114

H 3

5,00

13,12

17,66

1,346

Tablica 2. Wybrane wyniki badań dynamicznych konstrukcji in situ

Typ

konstrukcji

Czę stotliwość

drgań

własnych H z

Stosunki

czę stotliwoś ci

n 2 : n 1

n 3 : n 1

n n : n 2

Stosunki

czę stotliwoś ci

n 3 : n 2

n 4 : n 2

Stosunki

czę stotliwoś ci

n i : n o 2

Log.

dekrementy

tłumienia

„O”

n 1 0,75

n 2 2,06

n 3 3,77

n 4 6,44

2,74

4,98

8,57

1,83

3,13

0,202

0,087

0,063

0,061

„P”

n 1 1,88

n 2 3,68

n 3 4,98

n 4 6,67

1,96

2,65

3,55

1,35

1,81

2,51

1,79

1,32

0,95

0,091

0,066

0,061

0,059

„H“

n 1 1,90

n 2 3,75

n 3 4,75

n 4 6,00

1,97

2,50

3,16

1,27

1,60

2,53

1,82

1,26

0,93

0,097

0,069

0,064

0,060

3. Analiza i obliczenia numeryczne

Najważniejszy jest tu dobór modelu fizycznego konstrukcji. Model ten przyję to wg

konwencjonalnych zasad Metody Elementów Skończonych MES (por. np. [5]).

Trudność stanowi opis połą czeń, szczególnie górnego węzła. Jest to połą czenie słupa

ramy (dwuteownik HEB 360) z ryglem (dwuteownik I 220) przy pomocy blachy wę złowej

gruboś ci 10 mm i spoiny pachwinowej gruboś ci 6 mm i długoś ci 40 mm (rys. 5). Dodatkowo

celem ułatwienia montażowego założono luź no dokrę cone cztery ś ruby M- 16. W tej sytuacji

uznano za najlepsze rozwią zanie dokonanie tzw. ograniczonej identyfikacji modelu

fizycznego wykorzystują c wyniki pomiarów in situ dla obciążeń statycznych.

Modele MES dla wypełnień typu H i F, współpracują cych z główną konstrukcją

uwzglę dniają elementy prę towe i elementy płytowe. Zamodelowano połą czenia blach

obudowy mię dzy sobą i połą czenia blach ze słupami konstrukcji. Wykorzystano program

DIANA i programy własne. Jako konfigurację odniesienia przyję to konstrukcję odkształconą

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: