Research on the dynamics of lightweight shell and spatial structures with the aid of computational fluid dynamics and a shaking table

• Autorzy: Padewska-Jurczak Agnieszka , Cornik Dawid , Walentyński Ryszard , Wiśniowski Maciej , Szczepaniak Piotr

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.147665

Warianty tytułu

PL

Badania dynamiki lekkich konstrukcji powłokowych i przestrzennych przy zastosowaniu obliczeniowej mechaniki płynów oraz stołu wstrząsowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In determining the effects of actions when designing road structures, the influence of the loads caused by the buffeting of the passing vehicles (high-cycle forces) is neglected. Taking into account the fatigue load, they can have a very large impact on the assessment of the load capacity. The subject of analysis is the pressure and velocity distributions around a truck. At the current stage of the work, it can be concluded that the gusts of passing trucks affect the dynamics of the gantry structure and the elements suspended on it, such as platforms or boards. There is a strong suction force. It is possible to simplify the model in such a way that the board and the wind move with the speed of the vehicle while the truck remains stationary. Due to the lack of reliable guidelines for strength calculations of such structures, advanced Computational Fluid Dynamics (CFD) tools were used. This paper also presents a shaking table built by the authors for dynamic loading of structural models. It describes the construction of the shaking table and the kind of movement made by the table deck. It also shows a scheme of the table deck suspension on linear bearings, as well as a scheme of the table motion system.

PL

Przy określaniu skutków oddziaływań przy projektowaniu obiektów drogowych pomija się wpływ obciążeń wywołanych podmuchami od przejeżdżających pojazdów (siły wysokocyklowe). Biorąc pod uwagę również obciążenie zmęczeniowe, mogą one mieć bardzo duży wpływ na ocenę nośności konstrukcji. Przedmiotem analizy są rozkłady ciśnień i prędkości wokół samochodu ciężarowego. Na obecnym etapie prac można stwierdzić, że podmuchy od przejeżdżających ciężarówek wpływają na dynamikę konstrukcji bramownicy i zawieszonych na niej elementów, takich jak pomosty czy tablice. Istnieje duża siła ssąca. Możliwe jest uproszczenie modelu w taki sposób, aby tablica i wiatr poruszały się z prędkością pojazdu, podczas gdy ciężarówka pozostaje nieruchoma. Ze względu na brak rzetelnych wytycznych do obliczeń wytrzymałościowych takich konstrukcji, zastosowano zaawansowane narzędzia obliczeniowej mechaniki płynów (CFD). W artykule przedstawiono również zbudowany przez autorów stół wstrząsowy do dynamicznego obciążania modeli konstrukcyjnych. Opisano w nim konstrukcję stołu oraz rodzaj ruchu, jaki wykonuje płyta stołu. Przedstawiono również schemat zawieszenia płyty stołu na liniowych łożyskach oraz schemat układu ruchu stołu.

Słowa kluczowe

EN

computational fluid dynamics; earthquake; light structure; paraseismic action; shaking table

PL

konstrukcja lekka; mechanika płynów obliczeniowa; oddziaływanie parasejsmiczne; trzęsienie ziemi; stół wstrząsowy

• 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: 379--392
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., il.

Twórcy

autor

Padewska-Jurczak Agnieszka

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Mechanics and Bridges, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-4129-2081

autor

Cornik Dawid

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Mechanics and Bridges, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-5585-5653

autor

Walentyński Ryszard

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Mechanics and Bridges, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3530-682X

autor

Wiśniowski Maciej

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Mechanics and Bridges, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-9902-9660

autor

Szczepaniak Piotr

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Mechanics and Bridges, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5345-5960

Bibliografia

• [1] K. Konecki, “Skutki braku wytycznych projektowania i wykonania bramownic oraz wysięgników drogowych”, Drogownictwo, vol. 6, pp. 182-188, 2013. [Online]. Available: https://yadda.icm.edu.pl/baztech/element/bwmeta1.element.baztech-37c89771-e5a3-41d3-bce0-9d61f9e1d304/c/nr_6_182-188.pdf.
• [2] K. Konecki and M. Wąsowicz, Wybrane zagadnienia projektowania oraz wykonania stalowych bramownic i wysiegników drogowych. 2013. [Online]. Available: https://docplayer.pl/8158747-Wybrane-zagadnienia-projektowania-oraz-wykonania-stalowych-bramownic-i-wysiegnikow-drogowych.html.
• [3] BD94/07 – Design of Minor Structures, vol. 2. Highway Structures: Design (sub-structures and special structures) materials, Section 2: Special Structures. 2007.
• [4] C. Jager, S. Farquhar, C. Robinson, T. Pape, T. Polec, F. Hammad, and P. Blundy, “Design and construction guidelines for the delivery of large cantilever and gantry structures”, 2021. [Online]. Available: https://austroads.com.au/latest-news/new-guidelines-for-the-design-and-construction-large-cantilever-andgantry-structures.
• [5] C. Bayındırlı, Y. E. Akansu, and M. S. Salman, “The determination of aerodynamic drag coefficient of truck and trailer model by wind tunnel tests”, International Journal of Automotive Engineering and Technologies, vol. 5, no. 2, pp. 53-60, 2016, doi: 10.18245/ijaet.11754.
• [6] P. Vinayagam, M. Rajadurai, K. Balakrishnan, and G. M. Priya, “Design modification on Indian Road Vehicles to reduce aerodynamic drag”, International Journal of Advanced Engineering, Management and Science (IJAEMS), vol. 3, no. 8, pp. 850-854, 2017. [Online]. Available: https://media.neliti.com/media/publications/239901-design-modification-on-indian-road-vehic-2356aed8.pdf.
• [7] A.M. Horr, “On new ideas for design of road infrastructure: hybrid fatigue analyses”, Applied Sciences, vol. 11, no. 2, 2021, doi: 10.3390/app11020759.
• [8] J. Szafran, K. Juszczyk, and M. Kamiński, “Coupled finite volume and finite element method analysis of a complex large-span roof structure”, International Journal of Applied Mechanics and Engineering, vol. 22, no. 4, pp. 995-1017, 2017, doi: 10.1515/ijame-2017-0064.
• [9] A. Padewska-Jurczak, R. Walentyński, P. Szczepaniak, M. Wiśniowski, and D. Cornik, “Research on the dynamics of lightweight shell and spatial structures with the aid of shake table and CFD Tools”, in Lightweight Structures in Civil Engineering. Contemporary Problems. XXVIII LSCE 2022. Book of Abstracts. 2022, pp. 73-74.
• [10] R. Jankowski, “Badania dynamiczne modeli konstrukcji budowlanych na stole wstrząsowym”, Czasopismo Techniczne, vol. 104, no. 2-B, pp. 29-37, 2007.
• [11] C.J. Mitchell, M. T. Styles, and E.J. Evans, The design, construction and testing of a simple shaking table for gold recovery: laboratory testing and field trials. British Geological Survey, 1997. [Online]. Available: https://nora.nerc.ac.uk/id/eprint/8985/.
• [12] N. Ogawa, K. Ohtani, T. Katayama, and H. Shibata, “Construction of a three-dimensional, large-scale shaking table and development of core technology”, Philosophical Transactions of the Royal Society A, vol. 359, no. 1786, pp. 1725-1751, 2001, doi: 10.1098/rsta.2001.0871.
• [13] P. Bobra, A. Marynowicz, and Z. Zembaty, “Badania drewnianej konstrukcji ramowej na stole wstrząsowym”, Inżynieria i Budownictwo, vol. 8, pp. 440-443, 2012.
• [14] J.H. Rainer, “Dynamic testing of civil engineering structures”, in Proceedings of the Third Canadian Conference on Earthquake Engineering. Ottawa, 1979. [Online]. Available: https://nrc-publications.canada.ca/eng/view/object/?id=3ac72d13-7858-4664-bdd3-fce905e9a273.
• [15] A.M. Horr, “Computational evolving technique for casting process of alloys”, Mathematical Problems in Engineering, vol. 2019, art. no. 6164092, 2019, doi: 10.1155/2019/6164092.
• [16] ANSYS Inc., “ANSYS Documentation for Release 15/Customer Training Material”. ANSYS Inc., USA, 2013. [Online]. Available: https://www.ansys.com/academic/learning-resources.
• [17] B. Blocken and J. Carmeliet, “Pedestrian wind environment around buildings: literature review and practical examples”, Journal of Thermal Envelope and Building Science, vol. 28, no. 2, pp. 107-159, 2004, doi: 10.1177/1097196304044396.
• [18] B. Blocken and C. Gualtieri, “Ten iterative steps for model development and evaluation applied to Computational Fluid Dynamics for Environmental Fluid Mechanics”, Environmental Modelling & Software, vol. 33, pp. 1-22, 2012, doi: 10.1016/j.envsoft.2012.02.001.
• [19] Y. Tominaga, A. Mochida, R. Yoshie, H. Kataoka, T. Nozu, M. Yoshikawa, and T. Shirasawa, “AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings”, Journal of Wind Engineering and Industrian Aerodynamics, vol. 96, no. 10-11, pp. 1749-1761, 2008, doi: 10.1016/j.jweia.2008.02.058.
• [20] T. Jiyuan, H. Guan, and L. Chaoqun, Computational Fluid Dynamics. A Practical Approach. USA: Elsevier Inc., 2008.
• [21] A. Padewska-Jurczak, P. Szczepaniak, and Z. Buliński, “Numerical determination of wind forces acting on structural elements in the shape of a curved pipe”, Wind and Structures, An International Journal, vol. 30, no. 1, pp. 15-27, 2020, doi: 10.12989/was.2020.30.1.015.
• [22] A. Padewska, P. Szczepaniak, and A. Wawrzynek, “Analysis of fluid-structure interaction of a torus subjected to wind loads”, Computer Assisted Methods in Engineering and Science, vol. 21, no. 2, pp. 151-167, 2014. [Online]. Available: https://cames.ippt.pan.pl/index.php/cames/article/view/49.
• [23] J. Anderson, Computational fluid dynamics. The basics with applications. USA: McGraw-Hill, Inc., 1995.
• [24] H. Versteeg and W. Malalasekera, An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method. Pearson Education Ltd., 2007.
• [25] D. Wilcox, Turbulence modelling for CFD. USA: DCW Industries, 2006.
• [26] J.A. Żurański and A. Sobolewski, “An analysis of snow and wind loads combinations based on meteorogical data”, Archives of Civil Engineering, vol. 62, no. 4, pp. 205-230, 2016, doi: 10.1515/ace-2015-0117.

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).