Effect of icing as a non-structural mass on the variation of natural frequency of a lightweight lattice structure

• Autorzy: Kowalski Wiesław , Richter Mateusz , Tokarczyk Katarzyna

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.147646

Warianty tytułu

PL

Wpływ oblodzenia jako masy niekonstrukcyjnej na zmianę częstotliwości drgań własnych lekkiej konstrukcji typu kratownicowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper analyzes the effect of additional masses for lattice structures on the nature of changes in the natural frequencies of the structure. An attempt to mathematically describe this nature and the scale of the effect with a known thickness of the icing layer was also made. The discussion concerns a structure with a sacred purpose - the Gate of the Third Millennium, located in the Lednickie Fields, in the Kiszkowo Municipality, Gniezno Poviat. The icing of structural bars (frost, rime) is treated as a source of additional masses, although the origin of non-structural mass is of secondary importance for the analysis in question. The analysis was carried out by Finite Element Method (FEM) modeling of the structure, assuming a single-parameter variation of its mass (that is, the additional mass of all elements of the test object varies proportionally to a single parameter, which is the outer surface of the element on which the ice layer is deposited). By solving the vibration eigenproblem for successive models, representing different intensities of icing of the object, the values of successive frequencies and descriptions of the corresponding eigenmodes were determined. The results obtained allow us to formulate a postulate that the possibility of a change in the mass of the analyzed object resulting from icing or other causes should be taken into account in strength analyses, wherein the dynamic properties of the structure play an important role, such as in assessing the susceptibility of the structure to dynamic loads.

PL

W pracy dokonano analizy wpływu dodatkowych mas dla konstrukcji typu kratownicowego na charakter zmian częstotliwości drgań własnych tej konstrukcji. Przeprowadzono też próbę matematycznego opisu tego charakteru oraz skali wpływu przy znanej grubości warstwy oblodzenia. Rozważania dotyczą budowli o przeznaczeniu sakralnym - Bramy Trzeciego Tysiąclecia, zlokalizowanej na Polach Lednickich w gminie Kiszkowo w powiecie gnieźnieńskim. Jako źródło dodatkowych mas traktowane jest oblodzenie prętów konstrukcyjnych (szron, szadź), jakkolwiek pochodzenie masy niekonstrukcyjnej ma dla przedmiotowej analizy znaczenie drugorzędne. Analizy dokonano w drodze modelowania Metodą Elementów Skończonych (MES) konstrukcji, przyjmując założenie o jednoparametrycznej zmienności jej masy (to znaczy, że dodatkowa masa wszystkich elementów badanego obiektu zmienia się proporcjonalnie do jednego parametru, którym jest powierzchnia zewnętrzna elementu, na której odkłada się warstwa lodu). Rozwiązując zagadnienie własne drgań dla kolejnych modeli, reprezentujących różne intensywności oblodzenia obiektu, wyznaczono wartości kolejnych częstotliwości i opisy odpowiadających im postaci drgań własnych. I tak, przyrost grubości warstwy lodu na powierzchniach, od 0 do 1 cm spowodował redukcję wszystkich wyznaczonych (dziesięciu podstawowych) częstotliwości drgań własnych o co najmniej 11%. Grubość oblodzenia 2 cm wpływa na redukcję częstotliwości, jak wyżej, o ok. 22% zaś 4 cm warstwa oblodzenia oznacza redukcję przedmiotowych częstotliwości powyżej 39%. Są to istotne wartości, z punktu widzenia zastosowań technicznych. Uzyskane wyniki pozwalają na sformułowanie postulatu, aby w analizach wytrzymałościowych, w których istotną rolę odgrywają właściwości dynamiczne konstrukcji, np. w ocenie podatności konstrukcji na obciążenia dynamiczne, uwzględniana była możliwość zmiany masy analizowanego obiektu wynikająca z oblodzenia lub z innych przyczyn.

Słowa kluczowe

EN

icing; lattice structure; transmission tower; wind load; resonance; natural frequency

PL

oblodzenie; rezonans; obciążenie wiatrem; struktura kratownicowa; wieża transmisyjna; drganie własne

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 4
• Strony: 37--53
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Kowalski Wiesław

• University of Agriculture, Department of Rural Building, Krakow, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-8579-107X

autor

Richter Mateusz

• University of Agriculture, Department of Rural Building, Krakow, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-6813-5364

autor

Tokarczyk Katarzyna

• University of Agriculture, Department of Rural Building, Krakow, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-3668-3873

Bibliografia

• [1] A. Urbański, A. Truty, and M. Richter, “Stability of drilling rigs moving on a weak subsoil. Theoretical formulation and selected case studies”, Engineering Structures, vol. 184, pp. 524-534, 2019, doi: 10.1016/j.engstruct.2019.01.111.
• [2] A. Urbański and M. Richter, “Stability analysis of drilling rigs moving on a weak subsoil. Selected case studies”, Archives of Civil Engineering, vol. 66, no. 2, pp. 303-319, 2020, doi: 10.24425/ace.2020.131811.
• [3] J. He, “Identification of structural dynamic characteristics”, PhD thesis, Department of Mechanical Engineering, Imperial College, London, 1987.
• [4] M.R. Fekr and G. McClure, “Numerical modelling of the dynamic response of ice-shedding on electrical transmission lines”, Atmospheric Research, vol. 46, no. 1-2, pp. 1-11, 1998.
• [5] R.W. Clough and J. Penzien, “Dynamic of structures”, 3rd ed. New York: McGraw-Hill, 2003.
• [6] Y. Fengli, Y. Jingbo, H. Junke, and F.D. Jie, “Dynamic responses of transmission tower-line system under ice shedding”, International Journal of Structural Stability and Dynamics, vol. 10, no. 3, pp. 461-481, 2010, doi: 10.1142/S0219455410003579.
• [7] W. C. Macklin, “The density and structure of ice formed by accretion”, Quarterly Journal of Royal Meteorological Society, vol. 88, pp. 30-50, 1962.
• [8] R. List, “Ice accretion on structures”, Journal of Glaciology, vol. 19, pp. 451-465, 1977.
• [9] L. Makkonen, “Salinity and growth rate of ice formed by sea spray”, Cold Regions Science and Technology, vol.14, pp. 163-171, 1987, doi: 10.1016/0165-232X(87)90032-2.
• [10] S.G. Zaharov, “Distribution of ice loads in the USSR”, Trudy GGO, vol. 485, pp. 87-93,1984.
• [11] O.A. Podrezov, N.I. Popov, and A.O. Naumov, “Intense icing in mountain regions and ways to improve ice deposit measurements”, Meteorologiya i Gidrologiya, vol. 4, pp. 59-65, 1987.
• [12] P. Lehky, P. Maderová, and H. Kvacova, “Automated system for icing monitoring”, in Project documentation for supply area of JME. EGÚ Brno, a.s. - 020, 2001 (in Czech).
• [13] K. Harstveit, L. Tallhaug, and A. Fidje, “Ice accumulation observed by use of web camera and modelled from meteorological parameters”, in Proceedings of BOREAS VII “Wind energy production in cold climates. Saariselkä, Finland, 2005.
• [14] P. Lehky and J. Sabata, “Automated icing monitoring system”, presented at BOREAS VII 2005, Saariselkä, Finland, 2005.
• [15] P. Vaculik and M. Rampl, “Automated icing monitoring system on the territory supplied by JME”, presented at CK CIRED, Tabor, Czech Republic, 2005 (in Czech).
• [16] K. Shigeo, T. Sato, and K. Kosugi, “The effect of anti-icing paint on the adhesion force of ice accreted on a wind turbine blade”, in Proceedings of The International Meeting on Wind Power in Cold Climates BOREAS-VI. Finnish Meteorological Institute, 2003.
• [17] S. Kimura, K. Furumi, T. Sato, and K. Tsuboi, “Evaluation of anti-icing coatings on the surface of wind turbine blades for the prevention of ice accretion”, in Proceedings of The 7th International Symposium on Cold Region Development. C-ROM, no. 63, 2004.
• [18] PN-87/B-02013 Obciążenia budowli. Obciążenia zmienne środowiskowe. Obciążenie oblodzeniem. PKN, 1977.
• [19] ISO 12494:2017 Atmospheric icing of structures. ISO, 2017.
• [20] S. Fikke, G. Ronsten, A. Heimo, S. Kunz, M. Ostrozlik, P.E. Persson, J. Sabata, B. Wareing, B. Wichura, J. Chum, T. Laakso, K. Säntti, and L. Makkonen, “COST-727, Atmospheric Icing on Structures: Measurements and data collection on icing”, State of the Art, Publication of MeteoSwiss, vol. 75, 2007.
• [21] Q. Xie and L. Sun, “Failure mechanism and retrofitting strategy of transmission tower structures under ice load”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 74, pp. 26-36, 2012, doi: 10.1016/j.jcsr.2012.02.003.
• [22] F. Yang, J. Yang, and Z. Zhang, “Unbalanced tension analysis for UHV transmission towers in heavy icing areas”, Cold Regions Science and Technology, vol. 70, pp. 132-140, 2012, doi: 10.1016/j.coldregions. 2011.07.008.
• [23] L. Makkonen, “Estimating intensity of atmospheric ice accretion on stationary structures”, Journal of Applied Meteorology, vol. 20, pp. 595-600, 1981.
• [24] L. Makkonen, “Atmospheric icing on sea structures”, Monograph 84 - 2. U.S. Army CRREL, 1984, pp. 26-27.
• [25] E.M. Gates, R. Narten, E.P. Lozowski, and L. Makkonen, “Marine icing and spongy ice”, in Proceedings of the eight IAHR Symposium on Ice. Iowa City, USA, 1986, pp. 153-163.
• [26] I. Hørjen, “Icing of offshore structures - atmospheric icing”, Norwegian Marine Research, no. 3, pp. 9-22, 1989.
• [27] A.J. Eliasson and E. Thorsteins, “Wet snow icing combined with strong wind”, in 7th International Workshop on Atmospheric Icing of Structures, Proceedings. 1996, pp. 131-136.
• [28] R.C. Battista, R.S. Rodrigues, and M.S. Pfeil, “Dynamic behavior and stability of transmission line towers under wind forces”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 91, no. 8, pp. 1051-1067, 2003, doi: 10.1016/S0167-6105(03)00052-7.
• [29] D.G. Havard and P.V. Dyke, “Effects of ice on the dynamics of overhead lines. Part II: field data on conductor galloping, ice shedding and bundle rolling”, in Proceeding of the 11th International Workshop Atmospheric Icing Structures. Montreal, Canada, 2005, pp. 291-296.
• [30] T. Kálmán, M. Farzaneh, and G. McClure, “Numerical analysis of the dynamic effects of shock-load-induced ice shedding on overhead ground wires”, Computers and Structures, vol. 85, no. 7-8, pp. 375-384, 2007, doi: 10.1016/j.compstruc.2006.11.026.
• [31] M. Marzaneh, “Atmospheric icing of power networks”, Université du Québec á Chicoutimi, Canada. Springer Science+Business Media B. V., 2008.
• [32] B. Chen, W. Guo, P. Li, and W. Xie, “Dynamic responses and vibration control of the transmission towerline system: a state-of-the-art review”, Hindawi Publishing Corporation, The Scientific World Journal, vol. 2014, pp. 1-20, 2014, doi: 10.1155/2014/538457.
• [33] A.K. Chopra, Dynamics of structures. Theory and applications to earthquake engineering. Prentice-Hall International Series, 2012.
• [34] J.D. Stevenson, “Structural damping values as a function of dynamic response stress and deformation levels”, Nuclear Engineering and Design, vol. 60, pp. 211-237, 1980, doi: 10.1016/0029-5493(80)90238-1.
• [35] EN 1991-1-4 Eurocode 1: Actions on structures. PKN, 2008.
• [36] P. Breuer, T. Chmielewski, and P. Górski, “Dynamic response of the Stuttgart TV Tower measured by classical instruments and GPS technology”, Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 1, pp. 7-38, 2021, doi: 10.24425/ace.2021.136459.
• [37] S. Wright, “Correlation and causation”, Journal of Agricultural Research, vol. 20, no. 7, pp. 557-585, 1921.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).