Modeling and analysis of free vibration of steel-concrete composite beams by finite element method

• Autorzy: Wróblewski T. , Pełka-Sawenko A. , Abramowicz M. , Berczyński S.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie i analiza drgań własnych stalowo-betonowych belek zespolonych metodą elementów skończonych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Most technological machines generate vibrations which are transferred to either support systems or foundations. To ensure an object's safe operation, it is necessary to have adequate knowledge about dynamic properties of both machines and a supporting construction. A steel-concrete composite floor is an example of a supporting construction. It consists of steel beams connected with a reinforced concrete slab in a way that enables mating of both elements. This paper presents a discreet model of a steel-concrete composite beam that takes into account flexibility of the connection. An analysis of the beam's natural vibrations was conducted and the results were compared with those of experimental studies. Tests were performed on two sets of beams. In the first group of beams B1 a connection that consisted of steel stud connectors was used whereas perforated steel slats was used in the second groups of beams B2. The present paper is a report from the analysis that was conducted on the beams from group B2. The beam model was developed on Abaqus platform using deformable finite element method. Matlab system was used for the analysis and its environment was applied to control the model development and to identify the model's selected parameters. The beam model was made in two versions that differ in the approach to modelling connection. The developed model, after parameter identification, yields highly consistent results with those of experimental tests.

PL

Większość urządzeń technicznych wytwarza drgania, które przekazywane są na konstrukcje wsporcze lub fundamenty. W celu zapewnienia bezpiecznej eksploatacji obiektu niezbędne jest uwzględnienie właściwości dynamicznych zarówno maszyn, jak i konstrukcji wsporczej. Konstrukcją wsporczą jest na przykład stalowo-betonowy strop zespolony. Składa się z belek stalowych połączonych z płytą żelbetową w sposób umożliwiający współpracę obydwu tych elementów. W artykule przedstawiono model obliczeniowy stalowo-betonowej belki zespolonej uwzględniający podatność zespolenia. Prowadzono analizę jej drgań własnych i jej wyniki porównano z wynikami wykonanych badań doświadczalnych dla dwóch grup belek. W pierwszej grupie B1 stosowano zespolenie stalowymi sworzniami zespalającymi. W drugiej natomiast B2 stosowano zespolenie stalowymi listwami perforowanymi. W pracy analizie poddano belki z grupy B2. Model belki opracowano w systemie Abaqus wykorzystującym metodę odkształcalnych elementów skończonych. Do analizy stosowano oprogramowanie Matlab sterowania procesem przygotowania modelu oraz identyfikacją wybranych jego parametrów. Model belki opracowano w dwóch wersjach różniących się sposobem modelowania zespolenia. Użyto go także do identyfikacji parametrów. Uzyskano wyniki symulacji częstotliwości drgań o dużej zgodności z wynikami badań doświadczalnych.

Słowa kluczowe

EN

composite structure; parameters identification; ABAQUS; MATLAB; SPRING2; finite element method; FEM

PL

konstrukcja zespolona; identyfikacja parametrów; Abaqus; MATLAB; SPRING2; metoda elementów skończonych; MES (metoda elementów skończonych)

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN ; De Gruyter
• Czasopismo: Advances in Manufacturing Science and Technology
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 36, nr 4
• Strony: 85--96
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wróblewski T.

autor

Pełka-Sawenko A.

autor

Abramowicz M.

autor

Berczyński S.

• West Pomeranian University of Technology of Szczecin, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Piastów 50, 70-311 Szczecin,

Bibliografia

• [1] G. BISCONTIN, A. MORASSI, P. WENDEL: Vibrations of steel-concrete composite beams. Journal of Vibration and Control, 6(2000), 691-714.
• [2] M. DILENA, A. MORASSI: A damage analysis of steel-concrete composite beams via dynamic methods: Part II. Analitical models and damage detection. Journal of Vibration and Control, 9(2003), 529-565.
• [3] M. DILENA, A. MORASSI: Experimental modal analysis of steel concrete composite beams with partially damaged connection. Journal of Vibration and Control 10(2004), 897-913.
• [4] S. BERCZYŃSKI, Т. WRÓBLEWSKI: Vibration of steel-concrete composite beams using the Timoshenko beam model. Journal of Vibration and Control, 11(2005), 829-848.
• [5] S. BERCZYŃSKI, Т. WRÓBLEWSKI: Experimental Verification of Natural Vibration Models of Steel-concrete Composite beams. Journal of Vibration and Control, 16(2010), 2057-2081.
• [6] S. BERCZYŃSKI, P. GUTOWSKI, YU. KRAVTSOV, M. CHODŹKO: Estimation of nonlinear models' parameters of machine tool supporting systems using complete vibration test data. Advances in Manufacturing Science and Technology, 34(2010)4, 5-22.
• [7] S. BERCZYŃSKI, P. GUTOWSKI, YU. KRAVTSOV, M. CHODŹKO: Estimation of nonlinear models' parameters of machine tool supporting systems using incomplete vibration test data. Advances in Manufacturing Science and Technology, 35(2011)3, 5-18.
• [8] N. GATTESCO: Analytical modeling of nonlinear behavior of composite beams with deformable connection. Journal of Constructional Steel Research, 52(1999), 195-218.
• [9] Y.L. PI, M.A. BRADFORD, В. UY: Second order nonlinear inelastic analysis of composite steel-concrete members. II: Applications. Journal of Structural Engineering, 132(2006)5, 762-771.
• [10] W.S. SZAJNA: Numeryczny model stalowo-żelbetowego dźwigara zespolonego. Mat. VI Konf. Naukowej "Konstrukcje Zespolone", Zielona Góra 2002, 175-182.
• [11] A. MADAJ: Sztywność giętna stalowo betonowego przekroju zespolonego z rozciąganą częścią betonową. Mat. Konf. Naukowo-Technicznej "Mosty zespolone", Kraków 1998, 233-242.
• [12]V. THEVENDRAN, N.E. SHANMUGAM, S. CHEN, J.Y. RICHARD LIEW: Experimental study on steel-concrete composite beams curved in Plan. Finite Elements in Analysis and Design, 32(2000), 125-139.
• [13] A. PRAKASH, N. ANANDAVALLI, C.K. MADHESWARAN, J. RAJASAN-KAR, N. LAKSHMANAN: Three Dimensional FE Model of Stud Connected Steel-Concrete Composite Girders Subjected to Monotonic Loading. Int. Journal of Mechanics and Applications, 1(2011)1, 1-11.
• [14] G. VASDRAVELLIS, B. UY, E.L. TAN, B. KIRKLAND: The effects of axial tension on the hogging-moment regions of composite beams. Journal of Constructional Steel Research, 68(2012)1, 20-33.
• [15] O. MIRZA, В. UY: Behaviour of headed stud shear connectors for composite steel-concrete beams at elevated temperatures. Journal of Constructional Steel Research, 65(2009), 662-674.
• [16] F.D. QUEIROZ, P.C.G.S. VELLASCO, D.A. NETHERCOT: Finite element modelling of composite beams with full and partial shear connection. Journal of Constructional Steel Research, 63(2007)4, 505-521.
• [17] K. BASKAR, N.E. SHANMUNGAM, V. THEVENDRAN: Finite - Element analysis of steel - concrete composite plate girder. Journal of Structural Engineering,, 9(2002), 1158-1168.
• [18] Y. LUO, A. LI, Z. KANG: Parametric study of bonded steel-concrete composite beams by using finite element analysis. Engineering Structures, 34(2012), 40-51.