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

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.

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.