background image

X L V I I I     K O N F E R E N C J A    N AU K O W A  

KOMITETU  INŻ YNIERII  LĄ DOWEJ  I  WODNEJ  PAN 

I  KOMITETU  NAUKI  PZITB 

Opole – Krynica

 

2002

 

 

 
 
 

 

Roman CIESIELSKI

1

 

Paweł FISZER

2

 

Marian GWÓ Ź DŹ

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 czę ś ciej 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  właś ciwoś ci 
izolacyjne,  cieplne,  odpornoś ć  na  wpływy  atmosferyczne  (zmiany  temperatur,  nasłonecznienie, 
opady), a także mogą  wchodzić w grę  izolacyjne właś ciwoś 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  posunę ły  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  właś ciwoś 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 

sztywnoś ć  w  stosunku  do  samego  szkieletu.  Dużo  zależy  tu  od  sposobu  wzajemnego 
połą czenia elementów płyt oraz połą czenia ich ze szkieletem stalowym. 

b)  Zmieniają   właś ciwoś 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 

background image

 

 

36 

 

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  właś ciwy  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 badań  

 

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 stę żeniem prę towym Ф  16 w jednym przę ś le, 
§  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 

background image

 

 

37 

 

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

długoś ć 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 obcią żenie impulsowe realizowa-

ne  statycznym  nacią giem  liny  mocowanej  w  górnym  wę ź le  z  pomiarem  siły  a  nastę pnie  z 
nagłym odcią żeniem (rys. 3), mierzą c drgania konstrukcji. Stosowana aparatura pomiarowa 
przy  jednym  pomiarze  to  sześ ć  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 

background image

 

 

38 

 

Kilka  przykładów  zapisów  drgań  pokazano  na  rys.  4

5

.  Wszystkie  pomiary  wykonane 

zostały  w  cią gu  10  dni,  a  warunki  zewnę trzne  (temperatura,  wilgotnoś ć  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  wę zła  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. 

  a) 

  b) 

background image

 

 

39 

 

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

Typ 

konstrukcji 

Siła napinają ca 

KN 

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 stotliwoś ć 

drgań 

własnych H

z

 

Stosunki 

czę stotliwoś ci 

n

2

: n

n

3

: n

n

n

: n

Stosunki 

czę stotliwoś ci 

n

3

: n

n

4

: n

 

Stosunki 

czę stotliwoś ci 

n

i

: n 

o

 

Log. 

dekrementy 

tłumienia 

D

 

 
 

„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]). 

Trudnoś ć  stanowi  opis  połą czeń,  szczególnie  górnego  wę zła.  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 obcią żeń 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  

background image

 

 

40 

 

przez  nacią g.  Wyniki  analizy  podano  w  tablicach.  W  tab.  3  podano  wyniki  obliczeń  w  7 
przypadkach objaś nionych na szkicach. 

 

 

Rys. 5. Model wę zła skrajnego ramy (połą czenie słupa HEB 360 z I 220) 

 

Tablica 3. Zestawienie analizowanych przypadków i wyniki badań  

(czę stotliwoś ci i logarytmiczne dekrementy tłumienia drgań) 

 

 

Szkic modelu konstrukcji 

 

Logarytmiczny 

dekrement tłumienia 

Rodzaj 

modelu 

konstrukcji 

 

 

Czę stotliwoś ć z badań 

[Hz] 

 

 

background image

 

 

41 

 

Tablica 3. Cd. 

 

 
Rys.  6  podaje  kilka  przykładowych  postaci  drgań  dla  konstrukcji  wypełnionych 

obudową  F. Są  to postacie gię tne i gię tno skrę tne. 

 

 

Rys. 6. Przykładowe postacie drgań hali P. F. z wypełnieniem F 

background image

 

 

42 

 

W  tab.  4  podano  przemieszczenia  konstrukcji  znormalizowane  do  jednolitej  siły 

napię cia  liny  10  kN  oraz  współczynniki  dynamiczne  i  porównano  uzyskane  rezultaty. 
Różnice nie przekraczają  15%, w nietypowym przypadku H

3

 –  20 %. Można wię c uznać, że 

przyję te modele numeryczne mogą  być wykorzystane praktycznie. 

 

Tablica 4. Porównanie wyników badań in situ (znormalizowane do jednolitego napię cia) 

i analizy numerycznej 

 

 

Badania in situ 

Analiza numeryczna 

Porównania 

Rodzaj 

konstru-

kcji 

Siła 

znorma-

lizowana 

kN 

Przemieszczenia 

maksymalne  

wę zła 

Współ- 

czynnik 

dynami- 

czny 

(4) : (3) 

Przemieszczenia  

z analizy 

numerycznej 

Współ- 

czynnik 

dynami- 

czny 

(7) : (6) 

Różnice 

przemieszczeń 
dynamicznych 

 

Różnice 

współczynników 

dynamicznych 

 

 

Staty- 

czne mm 

Dynami- 

czne mm 

 

–  

Staty- 

czne  

mm 

Dynami- 

czne  

mm 

 

–  

%

100

*

)

4

(

)

4

(

)

7

(

-

%

100

*

)

5

(

)

5

(

)

8

(

-

 

10 

10,0 

115,94  174,19 

1,502 

114,67  176,87 

1,542 

1,54 

2,67 

10,0 

3,94 

5,41 

1,375 

4,24 

5,62 

1,324 

3,85 

-3,65 

10,0 

0,41 

0,48 

1,187 

0,51 

0,53 

1,052 

10,13 

-11,38 

FTR 

10,0 

0,45 

0,53 

1,174 

0,50 

0,53 

1,048 

-0,04 

-10,75 

10,0 

0,42 

0,45 

1,062 

0,42 

0,43 

1,036 

-3,07 

-2,44 

H

1

 

10,0 

5,24 

5,84 

1,114 

6,06 

6,74 

1,048 

15,37 

-0,18 

H

10,0 

26,24 

35,32 

1,346 

31,70 

42,59 

1,343 

20,58 

-0,19 

 

W  tab.  5  podano  porównanie  czę stotliwoś ci  drgań  uzyskanych  z  badań  in  situ  z 

obliczeniami MES dla trzech przypadków O, P, H. Jest to „przedłużenie” tablicy 2. 

 

Tablica 5 Porównanie czę stotliwoś ci drgań własnych z badań in situ z obliczeniami MES 

 

 

Wyniki 

 

 

Typ konstrukcji  Nr czę stotliwoś ci  Badania in  situ 

 n

b

 (H

z

Numeryczne 

MES  

n

(H

z

Porównanie 

wyników 

(3) : (4) 

 

„O” 

n

o

1

 

n

o

2

 

n

o

3

 

n

o

4

 

 

0,75 
2,06 
3,77 
6,44 

 

0,750 
2,002 
3,775 
6,432 

 

1,000 
1,026 
1,000 
1,001 

 
 

„P” 

n

p

1

 

n

p

2

 

n

p

3

 

n

p

4

 

 

1,88 
3,68 
4,98 
6,67 

 

1,863 
3,680 
4,959 
6,797 

 

1,009 
1,000 
1,004 
0,981 

 

„H” 

n

H

1

 

n

H

2

 

n

H

3

 

n

H

4

 

 

1,90 
3,75 
4,75 
6,00 

 

1,899 
3,730 
4,745 
6,020 

 

1,001 
1,005 
1,001 
0,997 

background image

 

 

43 

 

4.  Uwagi koń cowe i wstę pne wnioski 

 

Przedstawiono  wyniki  oryginalnych  badań  dynamicznych  konstrukcji  stalowej  –   z 
obudową   osłonową   z  blach  stalowych.  Wyniki,  których  szczegółowe  studium 
pozostawia  się   zainteresowanym,  pozwalają   na  pierwsze  generalne  stwierdzenia 
jakoś ciowe:  

§  Obudowa  zwię ksza  sztywnoś ć  dynamiczną   konstrukcji  i  podwyższa  podstawową  

czę stotliwoś ć  drgań  własnych.  Zmienia  się   kształt  spektrum  drgań,  które  staje  się  
bardziej zwarte.  

§  Postacie  drgań  struktury  z  wypełnieniem  wykazują   wię kszą   rozmaitoś ć:  w  tym 

także drgania skrę tno gię tne. 

§  Uzyskane  wyniki  tłumienia  drgań  nie  dają   jeszcze  możliwoś ci  wycią gnię cia 

pełnych  wniosków.  Potwierdziły  się   spostrzeżenia  z  innych  badań  konstrukcji 
stalowych  (maszty  –   por.  [6])  gdzie  stwierdzono  zależnoś ć  tłumienia  od 
czę stotliwoś ci  drgań  –   czego  nie  ujmuje  stosowany  tu  model  Kelvina-Voigta.  
Nieliniowa  ta  zależnoś ć  ujawnia  się   szczególnie  w  pierwszym,  dolnym  zakresie 
czę stotliwoś ci (przykładowo do 1,5 Hz).  

§  Uzyskane  wyniki  dają   podstawę   do  pewnych  zmian  w  analizie  konstrukcji 

noś nych  na  wpływy  sejsmiczne  i  parasejsmiczne  co  jest  istotną   wartoś cią  
praktyczną   w  projektowaniu  i  diagnostyce  technicznej  tego  rodzaju 
konstrukcji. 

Należy podkreś lić jeszcze dwa aspekty tych badań. 
Pierwszy,  że  nie  ma  możliwoś ci  porównania  uzyskanych  wyników  badań 

dynamicznych  z  innymi  gdyż  nie  są   znane  w  literaturze  ś wiatowej  inne  podobne  badania. 
Drugie,  że  przy  zachowaniu  generalnej  tendencji  zmian  uzyskanie  danych  iloś ciowych 
wymaga  dalszych  badań  i  to  badań  in  situ,  gdyż  jak  się   okazało,  dobór  modeli  tych 
konstrukcji do obliczeń numerycznych jest bardzo skomplikowany. Oczywiś cie cenne bę dą  
wyniki systematycznych obserwacji zrealizowanych konstrukcji szczególnie w przypadkach 
stałego  narażenia  na  wpływy  dynamiczne,  a  także  sprawozdania  z  zachowania  się  
konstrukcji,  które  przeszły  silne  trzę sienia  ziemi;  wzorem  może  tu  być  opracowanie 
przedstawione po trzę sieniu ziemi w Kobe (por. [8]). 

 

Literatura i materiały 

 

[1]  ECCS.  Comr.  TC7  (1995)  European  Recommendations  for  the  Application  of  Metal 

Sheeting Acting as a Diaphgram.  

[2]  Katalogi firmowe blach ś ciennych m.in. Metal Engineering Polska. 
[3]  FISZER  P.,  GWÓ ŹDŹ  M.,  Charakterystyki  sztywnoś ci  lekkiej  obudowy  szkieletów 

stalowych. Inż ynieria i Budownictwo Nr 3/2001 

[4]  CIESIELSKI  R.,  FISZER  P.,  GWÓ ŹDŹ  M.,  Noś noś ć  graniczna  ś cianowej  lekkiej 

obudowy  szkieletów  stalowych.  Mat.  XLVII  Konferencji  Krynickiej  KIL  iW  PAN  i 
KNPZITB, Krynica 2002. 

[5]  ZIENKIEWICZ, Metoda elementów skończonych, Wyd. Arkady. Warszawa 1972. 
[6]  CIESIELSKI  R.,  KOZIOŁ  K.,  Dynamic  investigations  of  guyed  mast  model.  JASS 

Journal. Vol. 37. 1997 

[7]  DAVIES J. M., General Solution for Shear Flexibility. Thin Walled Structures Nr 4/1984 

Wyd. Elsevier. England 

[8]  The Kobe Quake. Newsweek. No. 5/1995. 
[9]  OSIŃ SKI W., Tłumienie drgań . WNT, Warszawa 1982. 

background image

 

 

44 

 

DYNAMIC PROPERTIES OF STEEL FRAMES. CHANGES 

EFFECTED BY FILLING OF THE WALLS WITH METAL 

DIAFRAMS

 

 

Summary 

 

Results  of  dynamic  experimental  investigation  of  vibration  of  two  span  steel  frame  (fig.1) 
with  metal  diaframs  filling  the  walls  of  Vibration  frequencies,  forms  and  damping  for  six 
type of structure were presented (table 3). First approach of conclusion shows the increase of 
dynamic  stiffness  and  increase  of  frequencies  in  filled  structures  in  comparison  with  steel 
frames without filling. The detailed numbers were specified in tables 4 and 5.