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

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.

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.