Influence of anchoring and bracing system on dynamic characteristics of façade scaffolding

• Autorzy: Bęc Jarosław

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.147672

Warianty tytułu

PL

Wpływ układu zakotwień i stężeń na charakterystyki dynamiczne rusztowań fasadowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The basic dynamic characteristics of façade scaffolding are natural frequencies of vibrations and corresponding mode shapes. These properties affect the scaffolding safety, as well as comfort and safety of its users. Many of the dynamic actions present at scaffolding are in the low frequency range, i.e. below 10-15 Hz. The first natural frequency of a structure is usually in the range of 0.7 to 4 Hz which corresponds to resonant frequencies of human body and it means that vibrations induced at scaffolding may strongly affect the human comfort. The easiest way of increasing the rigidity of the structure is by ensuring correct boundary conditions (support, anchorage) and bracing of the structure. The numerical analysis was performed for the real scaffolding structure of medium size. The analysis consisted of natural frequencies calculation for the original structure and for models with modified bracing and anchoring systems. The bracing modifications were introduced by reducing or increasing the number of vertical bracing shafts. The anchor system was modified by reduction of the 6 anchors in the top right corner of the scaffolding in three stages or by evenly removing nearly 1/3 of the total number of anchors. The modifications of bracing and anchor systems resulted in changing the natural frequencies. The increase of natural frequencies due to higher number of anchors and more bracing is not even for all mode shapes. Bracing is more effective in acting against longitudinal vibrations, while anchoring against vibrations perpendicular to the façade.

PL

Rusztowania fasadowe to tymczasowe konstrukcje użytkowe wspomagające prace budowlane. Istotne jest zapewnienie bezpieczeństwa konstrukcji i pracowników, a także komfortowych warunków pracy ich użytkownikom poprzez zmniejszenie poziomów drgań docierających do nich. Podstawowe charakterystyki dynamiczne rusztowań fasadowych to częstotliwości drgań własnych oraz odpowiadające im postacie drgań. Pierwsza częstość drgań własnych w przypadku konstrukcji tego typu zazwyczaj mieści się w zakresie od 0,7 do 4 Hz, a więc są to wielkości zgodne z częstościami generowanymi przez wiele urządzeń działających na rusztowaniu, a także są one zbliżone do częstości rezonansowych części ciała ludzkiego. Częstotliwość drgań własnych uzależniona jest od rozmiarów rusztowania, jego masy oraz masy dodatkowej zgromadzonej na rusztowaniu (materiały budowlane, siatki ochronne i plandeki, użytkownicy rusztowania), a także od sztywności konstrukcji. Projektant pojedynczego rusztowania nie ma wpływu na elementy katalogowe systemu rusztowaniowego. Możliwe jest jednak zwiększenie sztywności rusztowania poprzez odpowiednio zaprojektowany system kotwienia konstrukcji rusztowania i przez prawidłowe stosowanie stężeń. Wymagany układ stężeń oraz rozstawy zakotwień w typowych rusztowaniach fasadowych można znaleźć w przepisach normowych lub katalogach producentów systemów rusztowań. Przeprowadzono obliczenia komputerowe przykładowego rusztowania fasadowego o średniej wielkości. Model metody elementów skończonych został stworzony w programie Autodesk Simulation Multiphysics 2013. Oryginalny model zawierał stężenia i zakotwienia zaproponowane przez projektanta konstrukcji rusztowania na podstawie wymagań producenta systemu. W kolejnych wariantach modyfikacji ulegała liczba pionów ze stężeniami, tj. z oryginalnej liczby pionów stężeń (3) pozostawiono 2 (rusztowanie słabo stężone), a następnie liczbę pionów stężeń zwiększono do 5 (rusztowanie przesztywnione). Podobnie, analizie poddano wpływ liczby zakotwień. Założono, że fragment konstrukcji pozostaje niezakotwiony, co wprowadzono do modelu przez eliminację 6 kotew w trzech etapach. Ostatni wariant modyfikacji oryginalnego sytemu zakotwień to równomierne usunięcie 10 spośród 36 ogółem punktów zakotwień. Wyniki obliczeń zostały zebrane w postaci pierwszych dziesięciu częstości drgań własnych. Analizowano także postacie drgań własnych, odpowiadające zbliżonym częstościom drgań. Zwiększenie liczby stężonych pól i większa liczba zakotwień powoduje zwiększenie częstotliwości drgań własnych. Nie jest to jednakowa zmiana dla wszystkich częstości i postaci. Stężenia mają większy wpływ na postaci związane z drganiami poziomymi wzdłuż fasady, podczas gdy liczba zakotwień wpływa istotnie na wartości związane z postaciami z przemieszczeniami prostopadle do fasady. Pozostawienie dużego obszaru pozbawionego zakotwień powoduje znaczne zmniejszenie przede wszystkim pierwszej częstości drgań własnych. Taka sytuacja jest niedopuszczalna, a mimo to spotykana w przypadku rusztowań zlokalizowanych przy istniejących budynkach, gdzie z powodów technologicznych kotwienie części konstrukcji jest utrudnione i czasem przez projektantów zaniedbywane. Należy również mieć na uwadze, że niedostateczne kotwienie i stężenie rusztowań fasadowych ma wpływ nie tylko na ich charakterystyki dynamiczne, ale także na wytężenie elementów konstrukcji. Może to prowadzić do stanów awaryjnych, mimo nieprzekroczenia dopuszczalnych wielkości obciążeń.

Słowa kluczowe

EN

façade scaffolding; dynamic characteristics; natural frequencies; mode shape; anchoring; bracing

PL

rusztowanie fasadowe; charakterystyka dynamiczna; częstość; postać; drgania własne; zakotwienie; stężenie

• 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: 493--506
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Bęc Jarosław

• Lublin University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Lublin, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5853-3710

Bibliografia

• [1] J. Jia, Essentials of applied dynamic analysis. Berlin, Heidelberg: Springer, 2014, doi: 10.1007/978-3-642-37003-8.
• [2] J. Bęc, E. Błazik-Borowa, P. Jamińska-Gadomska, and T. Lipecki, “Vibrational environment at scaffoldings”, in EEBP8, 2018 – Environmental Effects on Buildings and People, T. Lipecki and A. Flaga, Eds. Cracow-Lublin: Polish Association for Wind Engineering, 2018, pp. 85-86.
• [3] J. Bęc, E. Błazik-Borowa, P. Jamińska-Gadomska, and T. Lipecki, “Vibrational characteristics of façade frame scaffoldings”, Archives of Civil Engineering, vol. 66, no. 3, pp. 467-484, 2020, doi: 10.24425/ace.2020.134408.
• [4] T. Lipecki, P. Jamińska-Gadomska, J. Bęc, and E. Błazik-Borowa, “Façade scaffolding behaviour under wind action”, Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 20, no. 1, 2020, doi: 10.1007/S43452-020-00034-0.
• [5] T. Lipecki, P. Jamińska-Gadomska, and E. Błazik-Borowa, “Dynamic wind action on façade scaffoldings”, AIP Conference Proceedings, vol. 1922, no. 1, art. no. 110001, 2018, doi: 10.1063/1.5019104.
• [6] P. Jamińska, “Analiza działania wiatru na układ budynek z rusztowaniem”, Budownictwo i Architektura, vol. 12, no. 2, pp. 111-118, 2013.
• [7] T. Lipecki, P. Jamińska-Gadomska, and E. Błazik-Borowa, “Wind load on façade scaffolding without protective cover – Eurocode and in-situ measurement approaches”, Journal of Building Engineering, vol. 42, art. no. 102516, 2021, doi: 10.1016/J.JOBE.2021.102516.
• [8] T. Lipecki, P. Jamińska-Gadomska, E. Błazik-Borowa, and J. Bęc, “Szacowanie oddziaływania wiatru na rusztowanie w świetle badań w skali rzeczywistej”, Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, vol. 9, no. 4, pp. 9-14, 2017.
• [9] E. Blazik-Borowa, et al., “Analysis of the load bearing capacity of scaffoldings used in Poland”, IOP Conf Ser Mater Sci Eng, vol. 951, no. 1, doi: 10.1088/1757-899X/951/1/012023.
• [10] P. Jamińska-Gadomska, Analiza oddziaływania wiatru na układ budynek-rusztowanie. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, 2020.
• [11] F. Wang, Y. Tamura, and A. Yoshida, “Wind loads on clad scaffolding with different geometries and building opening ratios”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 120, pp. 37-50, 2013, doi: 10.1016/J.JWEIA.2013.06.015.
• [12] E. Błazik-Borowa and J. Bęc, “Influence of dynamic properties on scaffoldings safety”, Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 21, no. 4, art. no. 144, 2021, doi: 10.1007/s43452-021-00295-3.
• [13] P. Cyniak, I. Szer, J. Szer, T. Lipecki, and E. Błazik-Borowa, “Wpływ obciążenia dynamicznego na wytężenie konstrukcji rusztowania”, Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture, vol. 64, no. 3, pp. 487-497, 2018, doi: 10.7862/rb.2017.140.
• [14] M. Pieńko, A. Robak, E. Błazik-Borowa, and J. Szer, “Safety conditions analysis of scaffolding on construction sites”, International Journal of Civil and Environmental Engineering, vol. 12, no. 2, pp. 72-77, 2018.
• [15] J. Bęc and E. Błazik-Borowa, “Dynamic properties of façade frame scaffoldings”, MATEC Web of Conferences, vol. 285, art. no. 00001, 2019, doi: 10.1051/matecconf/201928500001.
• [16] M. Pieńko, A. Robak, and E. Błazik-Borowa, “Rusztowania budowlane – przepisy a praktyka”, Budownictwo i Architektura, vol. 15, no. 2, pp. 5-12, 2016.
• [17] E. Błazik-Borowa, P. Jamińska-Gadomska, and M. Pieńko, “Influence of foundation quality on the stress in the elements of steel façade scaffolding”, Buildings, vol. 10, no. 7, pp. 1-13, 2020, doi: 10.3390/BUILDINGS10070130.
• [18] M. Pieńko, A. Robak, and E. Błazik-Borowa, “Scaffoldings used during the renovation of the Metropolitan Cathedral of St. John The Baptist and St. John The Evangelist in Lublin”, Civil And Environmental Engineering Reports, vol. 19, no. 4, pp. 79-86, 2015, doi: 10.1515/ceer-2015-0054.
• [19] ALTRAD-MOSTOSTAL, “Assembly Manual – MOSTOSTAL Plus Frame Scaffoldings”. [Online]. Available: http://www.altrad-mostostal.pl/wp-content/uploads/2020/02/instrukcje_rusztowania_ramowe_EN.pdf. [Accessed: 27. Apr. 2023].
• [20] PN-EN 12810-2:2010 Rusztowania elewacyjne z elementów prefabrykowanych – Część 2: Specjalne metody projektowania konstrukcji. PKN, 2010.
• [21] PN-EN 12811-1:2007 Tymczasowe konstrukcje stosowane na placu budowy – Cześć 1: Rusztowania – Warunki wykonania i ogólne zasady projektowania. PKN, 2007.
• [22] PN-M-47900-2:1996 Rusztowania stojące metalowe robocze – Rusztowania stojakowe z rur. PKN, 1996.
• [23] J. C. Rubio-Romero, M. Carmen Rubio Gámez, and J. A. Carrillo-Castrillo, “Analysis of the safety conditions of scaffolding on construction sites”, Safety Science, vol. 55, pp. 160-164, 2013, doi: 10.1016/j.ssci.2013.01.006.
• [24] P. Jamińska-Gadomska, J. Bęc, T. Lipecki, and A. Robak, “Verification of the façade scaffolding computer model”, Archives of Civil Engineering, vol. 64, no. 1, pp. 41-53, 2018, doi: 10.2478/ace-2018-0003.
• [25] P. Cyniak, E. Błazik-Borowa, J. Szer, T. Lipecki, and I. Szer, “The choice of boundary conditions and mesh for scaffolding FEM model on the basis of natural vibrations measurements”, AIP Conference Proceedings, vol. 1922, no. 1, art. no. 150002, 2018, doi: 10.1063/1.5019155.

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).