XLVIII KONFERENCJA NAUKOWA
KOMITETU INŻYNIERII L
DOWEJ I WODNEJ PAN
I KOMITETU NAUKI PZITB
Opole  Krynica 2002
Roman CIESIELSKI1
Paweł FISZER2
Marian GWÓy
Dy
3
Krzysztof KOZIOA
4
ZMIANY WA
AŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH HALI STALOWEJ
NA SKUTEK WYPEA
NIENIA ŚCIAN PA
YTAMI OSA
ONOWYMI
Z BLACH STALOWYCH
1. Przedmiot rozważań
Stalowe hale przemysłowe mają na ogół główną konstrukcję nośną prętową (słupy- belki), a
ściany zewnętrzne utworzone są poprzez wypełnienie płaszczyzny pomiędzy słupami i belkami
poziomymi. Wypełnienie to wykonywano jako ściany ryglowe z zewnętrzną wyprawą lub bez,
ściany ceglane lub pustakowe, ściany 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 pośrodku z materiałem izolacyjnym np. styropianem. Istnieje wiele
firmowych rozwiązań konstrukcji takich osłonowych elementów ściennych, które stosowane są
powszechnie. Głównym zadaniem tak utworzonej ściany jest rozdzielenie przestrzeni lub
oddzielenie strony zewnętrznej od wnętrza hali a bardzo istotne są tu dodatkowo właściwości
izolacyjne, cieplne, odporność na wpływy atmosferyczne (zmiany temperatur, nasłonecznienie,
opady), a także mogą wchodzić w grę izolacyjne właściwości akustyczne oraz dynamiczne (gdy
występują drgania i wstrząsy mechaniczne). Dla optymalnego spełnienia tych zadań- łącznie z
łatwością 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 odnośnie do właściwości dynamicznych wypełnionej
konstrukcji i sposobu ich badania.
Generalnie w analizie takich konstrukcji nie uwzględnia się roli statycznej i dynamicz-
nej wypełnień ścian, co ma kilka aspektów technicznych i ekonomicznych:
a) Wypełnienia zmieniają pracę statyczną całej konstrukcji, z reguły zwiększając
sztywność w stosunku do samego szkieletu. Dużo zależy tu od sposobu wzajemnego
połączenia elementów płyt oraz połączenia ich ze szkieletem stalowym.
b) Zmieniają właściwości dynamiczne tej konstrukcji. Można się spodziewać zmian
częstotliwości drgań własnych przez zwiększenie masy (obniżenie) i przez zwiększenie
sztywności (podwyższenie) oraz zmiany tłumienia drgań i ich absorpcji.
1
Prof. dr hab. inż. Wydział Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej
2
Mgr inż. M. E. Polska
3
Dr hab. inż. prof. PK Wydział Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej
4
Mgr inż. Wydział Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej
36
Pozytywna rola tych rozwiązań to zwiększenie nośności konstrukcji zarówno
statycznej jak i dynamicznej oraz zwiększenie trwałości.
Ujęcie tych zmian w analizach nie jest proste, gdyż decyduje właściwy dobór ich
fizycznego modelu i potem opisu matematycznego. Najwłaściwszym sposobem wydaje się tu
podjęcie klasycznej metody doboru i identyfikacji modelu poprzez badania doświadczalne w skali
naturalnej. Badania takie podjęto dla dwuprzęsłowej 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 zewnętrzne ściany o wymiarach 6,0/7,89m. Analizowano
m. in. następujące przypadki drgań własnych:
O - sama konstrukcja nie usztywniona - czysta rama, wyjściowy stan odniesienia,
P - konstrukcja usztywniona wiotkim stężeniem prętowym $ 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 łączników
uszczelniających co 600 mm; brak połączeń pośrednich,
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
37
Stosowane wypełnienia to kasety  Florprofile dwie 110/600 grubość t = 0,75 mm,
długość 11980 mm oraz kasety  Haironville 100/600 SR grubości t = 0,75 mm i długości
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 naciągiem liny mocowanej w górnym węz
le z pomiarem siły a następnie z
nagłym odciążeniem (rys. 3), mierząc 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  uzyskując spektra drgań własnych, postacie
oraz tłumienia drgań.
Rys. 3. Schemat realizacji badań dynamicznych
38
Kilka przykładów zapisów drgań pokazano na rys. 45. Wszystkie pomiary wykonane
zostały w ciągu 10 dni, a warunki zewnętrzne (temperatura, wilgotność powietrza, układ
czujników) można uznać za jednolite dla wszystkich serii pomiarowych i stąd są one
porównywalne. Wykonano obszerny cykl badań statycznych, których przebieg i wyniki
przedstawiono oddzielnie (por. [3], [4]). Umożliwiło to wzajemne odniesienie sztywności
oraz określenia tzw. współczynników dynamicznych. Stosowane rzeczywiste wartości sił
naciągowych liny napinającej oraz wstępnych przemieszczeń górnego węzła ramy  A
podano w tab. 1.
Zerwanie w kierunku X  siła 15.7 kN  pomiar 57
a)
b)
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 częstotliwości 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.
39
Tablica 1. Siły napinające i przemieszczenia uzyskane z badań konstrukcji in situ
Typ Siła napinająca Przemieszczenie Max. Współczynnik
konstrukcji KN statyczne mm przemieszczenie dynamiczny (4):
dynamiczne mm (3)
1 2 3 4 5
O 2,10 24,35 36,58 1,502
P 13,20 5,20 7,14 1,375
F 12,70 0,51 0,61 1,187
FTR 15,70 0,70 0,83 1,174
H 12,00 0,51 0,54 1,062
H1 12,70 6,67 7,42 1,114
H3 5,00 13,12 17,66 1,346
Tablica 2. Wybrane wyniki badań dynamicznych konstrukcji in situ
Typ Częstotliwość Stosunki Stosunki Stosunki Log.
konstrukcji drgań częstotliwości częstotliwości częstotliwości dekrementy
własnych Hz n2: n1 n3: n2 ni: n o2 tłumienia
n3: n1 n4: n2
"
nn: n2
1 2 3 4 5 6
n1 0,75 - - 1 0,202
n2 2,06 2,74 - 1 0,087
 O n3 3,77 4,98 1,83 1 0,063
n4 6,44 8,57 3,13 1 0,061
n1 1,88 - - 2,51 0,091
n2 3,68 1,96 - 1,79 0,066
 P n3 4,98 2,65 1,35 1,32 0,061
n4 6,67 3,55 1,81 0,95 0,059
n1 1,90 - - 2,53 0,097
n2 3,75 1,97 - 1,82 0,069
 H n3 4,75 2,50 1,27 1,26 0,064
n4 6,00 3,16 1,60 0,93 0,060
3. Analiza i obliczenia numeryczne
Najważniejszy jest tu dobór modelu fizycznego konstrukcji. Model ten przyjęto wg
konwencjonalnych zasad Metody Elementów Skończonych MES (por. np. [5]).
Trudność stanowi opis połączeń, szczególnie górnego węzła. Jest to połączenie słupa
ramy (dwuteownik HEB 360) z ryglem (dwuteownik I 220) przy pomocy blachy węzłowej
grubości 10 mm i spoiny pachwinowej grubości 6 mm i długości 40 mm (rys. 5). Dodatkowo
celem ułatwienia montażowego założono luz
no dokręcone cztery śruby M- 16. W tej sytuacji
uznano za najlepsze rozwiązanie dokonanie tzw. ograniczonej identyfikacji modelu
fizycznego wykorzystując wyniki pomiarów in situ dla obciążeń statycznych.
Modele MES dla wypełnień typu H i F, współpracujących z główną konstrukcją
uwzględniają elementy prętowe i elementy płytowe. Zamodelowano połączenia blach
obudowy między sobą i połączenia blach ze słupami konstrukcji. Wykorzystano program
DIANA i programy własne. Jako konfigurację odniesienia przyjęto konstrukcję odkształconą
40
przez naciąg. Wyniki analizy podano w tablicach. W tab. 3 podano wyniki obliczeń w 7
przypadkach objaś nionych na szkicach.
Rys. 5. Model węzła skrajnego ramy (połączenie słupa HEB 360 z I 220)
Tablica 3. Zestawienie analizowanych przypadków i wyniki badań
(częstotliwości i logarytmiczne dekrementy tłumienia drgań)
Rodzaj
Szkic modelu konstrukcji Częstotliwość z badań Logarytmiczny
modelu
[Hz] dekrement tłumienia
konstrukcji
1 2 3 4
41
Tablica 3. Cd.
1 2 3 4
Rys. 6 podaje kilka przykładowych postaci drgań dla konstrukcji wypełnionych
obudową F. Są to postacie giętne i giętno skrętne.
Rys. 6. Przykładowe postacie drgań hali P. F. z wypełnieniem F
42
W tab. 4 podano przemieszczenia konstrukcji znormalizowane do jednolitej siły
napięcia liny 10 kN oraz współczynniki dynamiczne i porównano uzyskane rezultaty.
Różnice nie przekraczają 15%, w nietypowym przypadku H3  20 %. Można więc uznać, że
przyjęte modele numeryczne mogą być wykorzystane praktycznie.
Tablica 4. Porównanie wyników badań in situ (znormalizowane do jednolitego napięcia)
i analizy numerycznej
Badania in situ Analiza numeryczna Porównania
Rodzaj Siła Przemieszczenia Współ- Przemieszczenia Współ- Różnice Różnice
konstru- znorma- maksymalne czynnik z analizy czynnik przemieszczeń współczynników
kcji lizowana węzła dynami- numerycznej dynami- dynamicznych dynamicznych
kN czny czny
(4) : (3) (7) : (6)
Staty- Dynami- Staty- Dynami-
(7) - (4) (8) - (5)
*100%
*100%
czne mm czne mm  czne czne 
(4)
(5)
mm mm
%
%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
O 10,0 115,94 174,19 1,502 114,67 176,87 1,542 1,54 2,67
P 10,0 3,94 5,41 1,375 4,24 5,62 1,324 3,85 -3,65
F 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
H 10,0 0,42 0,45 1,062 0,42 0,43 1,036 -3,07 -2,44
H1 10,0 5,24 5,84 1,114 6,06 6,74 1,048 15,37 -0,18
H3 10,0 26,24 35,32 1,346 31,70 42,59 1,343 20,58 -0,19
W tab. 5 podano porównanie częstotliwości drgań uzyskanych z badań in situ z
obliczeniami MES dla trzech przypadków O, P, H. Jest to  przedłużenie tablicy 2.
Tablica 5 Porównanie częstotliwości drgań własnych z badań in situ z obliczeniami MES
Wyniki
Typ konstrukcji Nr częstotliwości Badania in situ Numeryczne Porównanie
nb (Hz) MES wyników
nn (Hz) (3) : (4)
1 2 3 4 5
o
n1
 O 0,75 0,750 1,000
no
2
2,06 2,002 1,026
o
3,77 3,775 1,000
n3
6,44 6,432 1,001
no
4
p
n1
1,88 1,863 1,009
p
n2
 P 3,68 3,680 1,000
p
4,98 4,959 1,004
n3
6,67 6,797 0,981
p
n4
H
n1
 H 1,90 1,899 1,001
H
n2
3,75 3,730 1,005
H
4,75 4,745 1,001
n3
H 6,00 6,020 0,997
n4
43
4. Uwagi końcowe i wstępne 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 zwiększa sztywność dynamiczną konstrukcji i podwyższa podstawową
częstotliwość drgań własnych. Zmienia się kształt spektrum drgań, które staje się
bardziej zwarte.
Postacie drgań struktury z wypełnieniem wykazują większą rozmaitość: w tym
także drgania skrętno giętne.
Uzyskane wyniki tłumienia drgań nie dają jeszcze możliwości wyciągnięcia
pełnych wniosków. Potwierdziły się spostrzeżenia z innych badań konstrukcji
stalowych (maszty  por. [6]) gdzie stwierdzono zależność tłumienia od
częstotliwości drgań  czego nie ujmuje stosowany tu model Kelvina-Voigta.
Nieliniowa ta zależność ujawnia się szczególnie w pierwszym, dolnym zakresie
częstotliwości (przykładowo do 1,5 Hz).
Uzyskane wyniki dają podstawę do pewnych zmian w analizie konstrukcji
nośnych na wpływy sejsmiczne i parasejsmiczne co jest istotną wartością
praktyczną w projektowaniu i diagnostyce technicznej tego rodzaju
konstrukcji.
Należy podkreślić jeszcze dwa aspekty tych badań.
Pierwszy, że nie ma możliwości porównania uzyskanych wyników badań
dynamicznych z innymi gdyż nie są znane w literaturze światowej inne podobne badania.
Drugie, że przy zachowaniu generalnej tendencji zmian uzyskanie danych ilościowych
wymaga dalszych badań i to badań in situ, gdyż jak się okazało, dobór modeli tych
konstrukcji do obliczeń numerycznych jest bardzo skomplikowany. Oczywiście cenne będą
wyniki systematycznych obserwacji zrealizowanych konstrukcji szczególnie w przypadkach
stałego narażenia na wpływy dynamiczne, a także sprawozdania z zachowania się
konstrukcji, które przeszły silne trzęsienia ziemi; wzorem może tu być opracowanie
przedstawione po trzęsieniu 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 ściennych m.in. Metal Engineering Polska.
[3] FISZER P., GWÓy
Dy
M., Charakterystyki sztywności lekkiej obudowy szkieletów
stalowych. Inżynieria i Budownictwo Nr 3/2001
[4] CIESIELSKI R., FISZER P., GWÓy
Dy
M., Nośność graniczna ścianowej 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., KOZIOA
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] OSIC
SKI W., Tłumienie drgań . WNT, Warszawa 1982.
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.