![]() |
| Dla budynku wysokiego 14 kondygnacyjnego znaleźć czestości drgań własnych. Modelem obliczeniowym budynku jest rama przestrzenna składająca się z sześciu ram płaskich połączonych ze sobą podciągami. Obciążenie to ciężar własny konstrukcji ( rama, ściany i stropy) oraz obciążenie użytkowe.
Rys.1. Schemat konstrukcji. Budynek wysoki jest konstrukcją przestrzenną. Przyjmując model ramy przestrzennej najlepiej przedstawilibyśmy rzeczywistą konstrukcję jednak model zadania byłby duży, wiele danych i wyników. W celu uproszczenia zakładamy, że konstrukcja pracuje w jednym kierunku (pracują ramy płaskie), a podciągi stanowią tylko element konstrukcyjny. Analizowany więc będzie model ramy płaskiej. Ten budynek wysoki jest tak skonstruowany, że głównym elementem nośnym jest trzon budynku do którego podwieszone są na linach stropy kolejnych kondygnacji. Zamodelowanie takiej konstrukcji jest kłopotliwe ze względu na elementy lin. Liny są jakby elementami prętowymi ale o specyficznym sposobie pracy. Pracują gdy są rozciągane, a stają się bezużyteczne w przypadku ściskania, nie pracują też na zginanie. Wprowadzając do modelu linę jako element prętowy musimy uważać, żebu nie wystąpiły siły ściskające. W przypadku gdy lina jest ściskana musimy ją wyeliminować z modelu. Element liny nie może też pracować na zginanie. Taki efekt łatwo jest uzyskać przypisując elementom lin bardzo mały (w porównaniu z rzeczywistym) moment bezwładności na zginanie. Problem jak uwzględniać pracę lin w przypadku dynamiki jest bardziej złożony. Postać z jaką konstrukcja drga powoduje rozciąganie lin raz z jednej, raz z drugiej strony konstrukcji, elementy linowe mogą być ściskane. Dlatego w dalszej części przeanalizowano kilka modeli (także ten z linami) oraz porównano otrzymane wyniki. W problemach dynamiki działające obciążenie, ciężar własny czy obc. użytkowe ma wpływ na podatność konstrukcji na drgania. Obciążenie takie w modelu przedstawiamy jako ciężar własny (na podstawie gęstości materiału i wymiarów elementów odpowiednio budowana jest macierz mas) lub jako masy skupione. Masy skupione są to masy równoważące działające obciążenie (wyrażone w kg) wpływające na bezwładność konstrukcji przy ruchu w kierunkach X i Y. Nie uwzględniamy wpływu masy na bezwładność obrotową. Obciążenia skupione i ciągłe modelujemy masami umieszczonymi w węzłach. Dlatego gęstszy podział na węzły elemntów z występującym obciążeniem ciągłym, i bardziej równomierny rozkład mas skupionych lepiej przedstawi rzeczywistą pracę konstrukcji. W przypadku, gdy obciążenia działające w konstrukcji powodują powstanie dużych sił osiowych ( a tak jest w naszym zadaniu) można uwzględnić ich wpływ na podatność konstrukcji na drgania. W algorytmie MES polega to na zbudowaniu dodatku do macierzy sztywności (mac. geometrycznej) zależnej od występujących sił osiowych. Przy siłach osiowych dążących do obciążenia krytycznego (powodującego wyboczenie) wpływ tych sił będzie widoczny, w innych przypadkach różnice w otrzymanych wynikach będą minimalne. Szukając częstości drgań konstrukcji uwzględniamy wpływ ciężaru własnego na bezwładność konstrukcji automatycznie przy budowie mac. mas (podajemy niezerową gęstość) lub zastępujemy go masami skupionymi, pozostałe rodzaje obciążenia modelujemy jako masy skupione. Dodatkowo chcąc uwzględnić działanie dużych sił osiowych wprowadzamy działające obciążenie jako siły skupione lub obc. ciągłe. Obliczenia przeprowadzono dla kilku modeli obliczeniowych w celu porównania otrzymanych wyników, oraz przedstawienia sposobów modelowania. Geometria konstrukcji, podział na węzły i elementy, dane materiałowo geometryczne są podobne we wszystkich wariantach, opis ich pominięto. Przyjęto następujące dane:
Przykładowe wprowadzenie masy skupionej w węźle w-2 o wartości 5000kg.
W systemie FEAS algorytm obliczania trzech pierwszych częstości drgań własnych oraz odpowiadających im postaci drgań nosi nazwę dw. Wywołanie tego algorytmu:
Algorytm uwzględniający działanie dużych sił osiowych przy obliczaniu częstości drgań to dwo.
Poniżej analizowane modele oraz wyniki otrzymane dla każdego z nich, czyli trzy pierwsze częstości drgań oraz odpowiadające im postacie drgań. 1.Rama płaska, model z linami, podział na węzły i elementy zgodny z geometrią konstrukcji zagęszczony w elementach obciążonych ciągle (rygle), obciążona ciężarem własnym konstrukcji oraz obc. użytkowym.Obciążenie to przedstawiono sumarycznie jako obciążenie ciągłe i przyłożono je w postaci mas skupionych do węzłów elementów poziomych (rygli). Elementy przyjęto jako nieważkie Ro=0. W sumie każda kondygnacja obciążona jest masą 47000kg równoważącą działające obciążenie. Elementy lin zamodelowano elementami prętowymi o przekroju A=0.0054m2 i bardzo małej (w porównaniu z innymi elementami) bezwładności na zginanie Jz=$1.0*10^{-10}m4. Tak przyjęty model dopuszcza ściskanie elementów lin.Rys.2. Przyjęty model oraz rozkład mas i sił na kondygnacji. Otrzymane wyniki Rys.3. Postacie oraz częstości drgań własnych, omega1 = 2.0336Hz ,omega2 = 6.3629Hz, omega3 = 9.2527Hz 2. Rama płaska, model bez lin, podział na węzły i elementy zgodny z geometrią konstrukcji zagęszczony w elementach obciążonych ciągle (rygle), obciążona ciężarem własnym konstrukcji oraz obc. użytkowym.Ciężar własny i pozostałe obciążenie zastąpiono masami skupionymi przyłożonymi do węzłów elementów poziomych (rygli.) Uwzględniono wpływ sił osiowych na podatność konstrukcji na drgania. Siły przyłożono do węzłów trzonu konstrukcji.Rys.4. Przyjęty model oraz rozkład mas i sił na kondygnacji. Otrzymane wyniki Rys.5. Postacie oraz częstości drgań własnych, omega1 = 2.0247Hz, omega2 = 6.3014Hz, omega3 = 8.9880Hz. 3. Rama płaska, model bez lin, podział na węzły i elementy zgodny z geometrią konstrukcji zagęszczony w elementach obciążonych ciągle (rygle), obciążona ciężarem własnym konstrukcji oraz obc. użytkowym.Ciężar własny i pozostałe obciążenie zastąpiono masami skupionymi przyłożonymi do węzłów elementów poziomych (rygli.)Rys.6. Przyjęty model oraz rozkład mas na kondygnacji. Otrzymane wyniki
Rys.7. Postacie oraz częstości drgań własnych, omega1 = 2.1003Hz, omega2 = 6.4071Hz, omega3 = 9.0396Hz. 4. Rama płaska (bez lin), podział na węzły i elementy zgodny z geometrią konstrukcji, obciążona ciężarem własnym konstrukcji oraz obc. użytkowym.Obciążenie to przedstawiono sumarycznie jako obciążenie ciągłe i przyłożono je w postaci mas skupionych do węzłów elementów poziomych (rygli). W sumie wartość przyłożonej masy 47000kg co równoważy działające obciążenie. Elementy przyjęto jako nieważkie Ro=0.Rys.8. Przyjęty model oraz rozkład mas na kondygnacji. Otrzymane wyniki
Rys.9. Postacie oraz częstości drgań własnych, omega1 = 2.0920Hz omega2 = 5.9232Hz omega3 = 7.0130Hz 5. Rama płaska, model bez lin, podział na węzły i elementy zgodny z geometrią konstrukcji, obciążona ciężarem własnym konstrukcji oraz obc. użytkowym.Ciężar własny uwzględniono poprzez podanie Ro=7850 kg/m3, pozostałe obciążenie zastąpiono masami skupionymi przyłożonymi do węzłów elementów poziomych (rygli.) Ciężar pojedyńczej kondygnacji wynosi 2700.167kg, pzostała wartość to 44299.84kg, dla ostatniej kondygnacji odpowiednio 2393.523kg i 44606.477kg.Rys.10. Przyjęty model oraz rozkład mas na kondygnacji. Otrzymane wyniki
Rys.11. Postacie oraz częstości drgań własnych, omega1 = 2.0951Hz omega2 = 6.0065Hz omega3 = 7.2047Hz 6. Rama płaska (bez lin), model konstrukcji ograniczono do trzonu podział na węzły i elementy zgodny z geometrią konstrukcji, obciążona ciężarem własnym konstrukcji oraz obc. użytkowym.Obciążenie to przedstawiono sumarycznie jako obciążenie ciągłe i przyłożono je w postaci mas skupionych do węzłów elementów poziomych (rygli). Obciążenie przyłożono do trzonu konstrukcji. Elementy przyjęto jako nieważkie Ro=0.Rys.12. Przyjęty model oraz rozkład mas na kondygnacji. Otrzymane wyniki
Rys.13. Postacie oraz częstości drgań własnych, omega1 = 2.3466Hz omega2 = 7.1523Hz omega3 = 11.1952Hz. 7. Rama płaska zamodelowana jako wspornik, podział na elementy zgodny z geometrią konstrukcji, jeden element to jedna kondygnacja, obciążenie sumacyjne przyłożono w postaci mas skupionych w węzłach modelu.Wartość bezwładności w kierunku osi x Bx=47000kg, w kierunku osi y By=47000, bezwładność obrotowa Jz=0.0. Dane geometryczne, pole przekroju oraz moment bezwładności na zginanie, obliczono dla przekroju złożonego z dwóch elementów słupów (dwie rury czworościenne) rozsuniętych na odległość 4.2m (taką, jaki jest rozstaw słupów).Rys.14. Przyjęty model oraz przyjęty przekrój elementów. Otrzymane wyniki
Rys.15. Postacie oraz częstości drgań własnych, omega1 = 2.7354Hz omega2 = 17.187Hz omega3 = 24.748Hz. Zestawienie przyjętych modeli i otrzymanych wyników.
|