A4: Hradil, Salajka, Kala Realizace omezovace kmitani na lavce

Realizace omezovače kmitání na lávce v areálu Škody Auto
Mladá Boleslav
Realization of tuned mass damper in pedestrian bridge
in Škoda Auto Mladá Boleslav
Petr Hradil1, Vlastislav Salajka2, Jiří Kala3
1)
2)
3)
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav stavební mechaniky, Veveří 95, 602 00 Brno,
tel.: +420 541 147 366, +420 603 233 802, e-mail: [email protected]
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav stavební mechaniky, Veveří 95, 602 00 Brno,
tel.: +420 541 147 365, +420 603 244 458, e-mail: [email protected]
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav stavební mechaniky, Veveří 95, 602 00 Brno,
tel.: +420 541 147 382, +420 605 702 808, e-mail: [email protected]
ANSYS konference 2008
16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting
Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008
-1-
Anotace
Příspěvek se zabývá realizací omezovače kmitání na velmi štíhlé mostní ocelové
konstrukci lávky pro pěší. Omezovač slouží ke snížení nadměrného kmitání, které
je způsobeno pohybem chodců po lávce. V příspěvku je popsán návrh omezovače kmitání,
ověření funkčnosti pomocí provedené dynamické zkoušky a změna konfigurace omezovače
umožňující zvýšit účinnost omezovače kmitání na sledované lávce.
Annotation
Paper deal with realization tuned mass damper on very slender steel structure of
footbridge. Tuned mass damper serves to reduction of vibration induced by movement
pedestrians. Paper deal with design of tuned mass damper, checking its serviceability using
dynamic testing and change tuned mass damper configuration increasing its efficiency on
footbridge structure.
ANSYS konference 2008
16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting
Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008
-2-
ÚVOD
Na velmi štíhlé mostní konstrukci sloužící chodcům a lehkým vozidlům byl navržen
a realizován omezovač nadměrného kmitání způsobeného pohybem chodců. Omezovač
kmitání byl navržen z důvodu nadměrného kmitání, které převyšovalo přípustné hodnoty
maximálních zrychlení a amplitud kmitání konstrukce.
Omezovač kmitání byl navržen na základě dynamické analýzy simulující zatížení pohybem
chodců po mostu. Analýza byla provedena pomocí prutového výpočtového modelu, který
předpokládal ideální spolupůsobení nosných prvků a empirickou hodnotu poměrného útlumu
konstrukce.
Funkce navrženého a instalovaného omezovače kmitání byla kontrolována pomocí
dynamické zatěžovací zkoušky lávky. Dynamická zkouška měla posoudit konstrukci
ve frekvenční oblasti, která leží v přirozeném kročejovém intervalu a posoudit optimální
naladění omezovače kmitání. Součástí zkoušky bylo stanovení poměrného útlumu konstrukce
a významných vlastních frekvencí a tvarů kmitu souvisejících s možným nadměrným
kmitáním mostní konstrukce.
1.
POPIS KONSTRUKCE LÁVKY
Lávka je navržena pro pěší s možným pojezdem vozidel do 3,5 tuny. Jedná
se o dvoupolovou otevřenou ocelovou příhradovou konstrukci s rozpětím hlavního pole
65,65 m a vedlejšího 21,9 m. Dřevěná mostovka z příčně uložených hranolů je umístěna ve
spodní části příhradoviny mezi příhradovými pasy výšky 1,7 m. Konstrukce hlavního pole
je tvořena třemi dvojicemi táhel zavěšených na šikmém ocelovém pylonu tvaru A výšky 23,9
m. Táhla tvoří vnitřní pružné podpěry spojitého nosníku bráno od břehu o rozpětích
17,05+17,03+17,00+14,57 m. Pylon je od svislice odkloněn o 16,6 stupňů a stabilizován
dvěma táhly zakotvenými do opěry na pravém břehu. Sloupy pylonu jsou ve tvaru
svařovaného truhlíku a příčníky jsou ze silnostěnných trubek.
Spodní stavba mostu je na levém břehu tvořena hlubinně založeným pilířem, na pravém
břehu plošně založenou opěrou. Mezilehlý pylon je založen hlubinně.
Obrázek 1: Lávka přes řeku Jizeru
2.
NÁVRH OMEZOVAČE KMITÁNÍ
ANSYS konference 2008
16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting
Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008
-3-
Omezovač kmitání konstrukce lávky způsobené pohybem chodců byl navržen na základě
dynamické analýzy mostní konstrukce. Součástí této analýzy je výpočet vlastních tvarů
a frekvencí a výpočet dynamické odezvy lávky na pohyb chodců. Pro tuto konkrétní
konstrukci lávky byl navržen omezovač kmitání s aktivní hmotou o velikosti 1500 kg. Návrh
omezovače byl proveden na základě předložené projektové dokumentace lávky, pomocí
prutového výpočtového modelu.
Obrázek 2: Instalace omezovače kmitání do konstrukce lávky
3.
DYNAMICKÁ ZATĚŽOVACÍ ZKOUŠKA
Dynamická zkouška slouží k určení významných vlastních frekvencí a tvarů kmitu, určení
útlumu konstrukce. V součinnosti s dynamickými výpočty provede optimálního naladění
omezovače kmitání. Rovněž určí dynamickou odezvu konstrukce způsobenou pohybem
chodců po lávce.
Na sledované konstrukci lávky měření vlastních frekvencí a tvarů kmitu byly provedeny
s fixovaným omezovačem kmitání, měření dynamické odezvy s omezovačem aktivním jehož
parametry byly specifikovány v předchozím stupni.
Po vyhodnocení dynamické zkoušky byl modifikován výpočtový model určený
k dynamickým výpočtům, aby frekvenčně odpovídal provedeným měřením vlastních tvarů
kmitu a proveden nový výpočet dynamické odezvy. Analýzou výsledků bylo zjištěno, že
pro stávající konfiguraci konstrukce lávky je vhodné provést také změnu konfigurace
omezovače kmitání. Při zachování tuhosti pružin i útlumu pohlcovače bylo možné provést
přeladění zvýšením aktivní kmitající hmoty z 1500 kg na 1720 kg. Přehled získaných
výsledků výpočtů a měření je součástí tabulky 1 a na obrázcích 3 až 6.
Orientační popis charakteru vlastního tvaru
Frekvence
předpokládaná
Frekvence
měřená
Frekvence
vypočtená
[Hz]
[Hz]
[Hz]
1.
1. tvar vodorovného příčného kmitání
1,61
1,43
1,512
2.
1. tvar svislého ohybového kmitání
1,95
1,76
1,744
3.
1. tvar torzního kmitání
2,54
3,01
3,068
Tabulka 1: Vlastní frekvence
ANSYS konference 2008
16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting
Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008
-4-
Obrázek 3: První vlastní tvar, f1 = 1,51 Hz
Obrázek 4: Druhý vlastní tvar, f2 = 1,74 Hz
0.300
AMPLITUDA ZRYCHLENÍ [m.s-2]
0.270
0.240
0.210
0.180
0.150
0.120
0.090
0.060
0.030
0.000
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
2.25
2.50
2.75
3.00
3.25
3.50
3.75
4.00
FREKVENCE [Hz]
Obrázek 5: Frekvenční odezva omezovače kmitání o hmotnosti 1500 kg
0.200
AMPLITUDA ZRYCHLENÍ [m.s-2]
0.175
0.150
0.125
0.100
0.075
0.050
0.025
0.000
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
2.25
2.50
2.75
3.00
3.25
3.50
3.75
4.00
FREKVENCE [Hz]
Obrázek 6: Frekvenční odezva omezovače kmitání o hmotnosti 1720 kg
ANSYS konference 2008
16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting
Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008
-5-
ZÁVĚR
V předloženém příspěvku je popsána možnost omezení nadměrných kmitání na velmi
štíhlé ocelové konstrukci lávky pro pěší způsobených pohybem chodců. Snížení nadměrných
kmitání je realizováno pomocí omezovače, který je instalován do konstrukce mostu.
Omezovač kmitání byl navržen na základě předložené dokumentace pomocí výpočtu odezvy
pohybu chodců po konstrukci lávky. Byla provedena dynamická zkouška, která porovnala
vypočet vlastních tvarů kmitu se skutečnými hodnotami a provedla měření dynamické odezvy
způsobené pohybem chodců. Na základě provedených výpočtů a měření byly optimalizovány
charakteristiky omezovače kmitání pro sledovanou konstrukci lávky.
PODĚKOVÁNÍ
Tento příspěvek vznikl za finančního přispění MSM0021630519 „Progresivní
spolehlivé a trvanlivé nosné stavební konstrukce“.
LITERATURA
[1]
Bachmann, H. Lively footbridges – A real challenge. AFGF and OTUA Footbridge
Conference, Paris, 2002.
[2] Kreuzinger, H. Dynamic design strategies for pedestrian and wind actions. Footbridge
2002.
[3] British Standards Institutions, BS 5400, Part 2, Appendix C: Vibration Serviceability
Requirements for Foot and Cycle Track Bridges 1978.
[4] ENV 1995 (ČSN EN 1990 změna A1 (73 0002) Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí
– Příloha A2: Použití pro mosty
[5] ČSN P ENV 1995–2 Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 2: Mosty.
[6] Stráský, J., Stress gibbon and cable-supported pedestrián bridges, Thomas Telford
Publishing, London, ISBN 0-7277- 3282-X, 2005.
[7] Bachman H. at all, Vibration problems in structures: Practical Guidelines, Birkhauser,
Basel, ISBN 3-7643-5148-91995, 1995.
[8] Pirner, M., Fischer, O., Zatížení staveb větrem, Informační centrum ČKAIT, ISBN 8086769-10-0, Praha, 2003.
[9] Hradil. P., Kala, J., Salajka, V., Juttner, V.: Účinky pohybujících se chodců na lehké
mostní konstrukce, 15. ANSYS Users’ Meeting, 3. – 5. října 2007 Lednice
[10] Rotter, T., Polák, M., Plachý, T.: Dynamická zatěžovací zkouška lávky přes Jizeru
z nového do stávajícího areálu firmy
ANSYS konference 2008
16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting
Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008
-6-