AbstractDynamic response of tower c

Abstract

Dynamic response of tower cranes coupled with the pendulum motions of the payload is studied in this paper. A simple perturbation scheme and the assumption of small pendulum angle are applied to simplify the governing equa- tion. The tower crane is modeled by the finite element method, while the pendulum motion is represented as rigid-body kinetics. Integrated governing equations for the coupled dynamics problem are derived based on Lagrange s equations including the dissipation function. Dynamics of a real luffing crane model with the spherical and planar pendulum motions is analyzed using the proposed formulations and computational method. It is found that the dynamic responses of the tower crane are dominated by both the first few natural frequencies of crane structure and the pendu- lum motion of the payload. The dynamic amplification factors generally increase with the increase of the initial pendu- lum angle and the changes are just slightly nonlinear for the planar pendulum motion.
2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Keywords: Tower crane; Finite element; Pendulum; Structural dynamics



1. Introduction

Tower cranes are used to lift and move heavy payloads in the construction of high-rise buildings. Under internal or external excitations, the payload always has a tendency to oscillate about its vertical position, resulting in a coupled dynamics problem of the vibration of the crane structure and the pendulum motion of the payload. This kind of pendulum-induced vibration may cause instability or serious damage to the


* Corresponding author. Tel.: [phone]; fax: [phone].
E-mail address: [e-mail] (Y.S. Choo).

0020-7683/$ - see front matter 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved. doi:10.1016/j.ijsolstr.2005.03.078

crane system. Driven by the needs of crane design and control, efforts are been made by researchers to under- stand the physical nature and engineering implication of the dynamics of crane systems including the pay- load. A recent review on crane dynamics, modeling and control is given by Abdel-Rahman et al. (2003).
Studies related to the dynamics and control of cranes have been mostly based on simplified models of crane structures. Chin et al. (2001) modeled a boom crane as a spherical pendulum and a rigid system with two degrees-of-freedom and assumed that the motion of the platform influences, but is not influenced by the swinging of the payload. The crane structure was also considered as rigid bodies with or without dis- crete springs in the studies carried by Towarek (1998), Kiliceaslan et al. (1999) and Ghigliazza and Holmes (2002). Oguamanam et al. (2001) studied the dynamics of overhead crane system where a beam model was used to represent the flexibility of crane structures. Generally speaking, these simplifications on the mod- eling of crane structures are reasonable when the dynamics of the pendulum motion of the payload is the main concern. However, when the stress and dynamic response of crane structures are of interest, a detailed modeling of crane structures is certainly needed. A tower crane is a complex structural system con- sisting of space frames, cable system and lumped mass and, therefore, finite element analysis appears to be an appropriate approach in this case. Ju and Choo (2002, 2005a) studied the natural vibration and dynamic response of the tower crane system due to the acceleration or deceleration of the payload, where detailed finite element modeling of crane system was employed. The motion of the payload in their study was con- fined to the vertical direction without any swing or pendulum motion.
The objective of this study is to derive integrated finite element formulations to analyze the dynamics of the tower crane coupled with the pendulum motion of the payload.

Kết quả (Việt) 1:

Tóm tắtCác phản ứng năng động của cần cẩu tháp cùng với chuyển động quả lắc của trọng được nghiên cứu trong giấy này. Một chương trình đơn giản nhiễu loạn và giả định của góc nhỏ lắc được áp dụng để đơn giản hóa quản lý equa-tion. Các cần cẩu tháp được mô phỏng bằng phương pháp phần tử finite, trong khi chuyển động quả lắc được đại diện như là cứng nhắc cơ thể động học. Tích hợp quản phương trình cho vấn đề năng động cùng có nguồn gốc dựa trên Lagrange phương trình s bao gồm các chức năng tản. Động thái của một mô hình cần cẩu thực luffing với các chuyển động quả lắc mặt cầu và phẳng được phân tích bằng cách sử dụng các đề nghị công thức và phương pháp tính toán. Nó được tìm thấy rằng các phản ứng năng động của các cần cẩu tháp chủ yếu là cả hai chính số tự nhiên tần số chuyển động pendu-lum của trọng và cấu trúc cần cẩu. Yếu tố năng động amplification nói chung tăng với sự gia tăng của góc pendu-lum ban đầu và những thay đổi chỉ cần một chút phi tuyến chuyển động quả lắc phẳng. 2005 Elsevier Ltd. Tất cả các quyền.Từ khóa: Cần cẩu tháp; Phần tử hữu hạn; Lắc; Động lực học kết cấu1. giới thiệuCần cẩu tháp được sử dụng để nâng và di chuyển dữ liệu này nặng trong việc xây dựng các tòa nhà cao tầng. Theo excitations nội bộ hay bên ngoài, trọng luôn luôn có xu hướng để dao động về vị trí thẳng đứng, kết quả là một vấn đề năng động cùng những rung động của cấu trúc cần cẩu và chuyển động quả lắc của trọng. Loại rung lắc gây ra có thể gây ra sự bất ổn hay thiệt hại nghiêm trọng cho các* Tác giả tương ứng. Tel.: + 65 6874 1312/2994; Fax: + 65 6779 1635.Địa chỉ e-mail: [e-mail] (Y.S. Choo).0020-7683 / $ – xem trước vấn đề năm 2005 Elsevier Ltd. Tất cả các quyền. Doi:10.1016/j.ijsolstr.2005.03.078 Hệ thống cầu trục. Thúc đẩy bởi nhu cầu cần cẩu thiết kế và kiểm soát, efforts đang được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu dưới trụ tính chất vật lý và kỹ thuật ngụ ý của các động thái của hệ thống cẩu bao gồm trả-load. Đánh giá gần đây trên cẩu dynamics, mô hình và điều khiển được đưa ra bởi Abdel Rahman et al. (2003).Các nghiên cứu liên quan đến động lực và điều khiển cần cẩu đã được chủ yếu là dựa trên simplified các mô hình cấu trúc cần cẩu. Chin et al. (2001) mô phỏng một cần cẩu bùng nổ như một quả lắc hình cầu và một hệ thống cứng nhắc với hai độ-của-tự do và giả định rằng sự chuyển động của nền tảng influences, nhưng không phải là tác bởi swinging trọng. Cấu trúc cần cẩu cũng được coi như là các cơ quan cứng nhắc với hoặc không có dis-crete springs ở các nghiên cứu thực hiện bởi Towarek (1998), Kiliceaslan et al. (1999) và Ghigliazza và Holmes (2002). Oguamanam et al. (2001) đã nghiên cứu các động thái của hệ thống trên không cần cẩu, nơi một mô hình chùm được sử dụng để đại diện cho flexibility cấu trúc cần cẩu. Nói chung, các simplifications trên mod-Vương của các cấu trúc cần cẩu là hợp lý khi các động thái của chuyển động quả lắc của trọng là mối quan tâm chính. Tuy nhiên, khi sự căng thẳng và các phản ứng năng động của cấu trúc cần cẩu quan tâm, một mô hình chi tiết của các cấu trúc cần cẩu chắc chắn cần thiết. Cần cẩu tháp là một hệ thống phức tạp của cấu trúc côn sisting space khung, Hệ thống cáp và gộp khối lượng, và do đó, finite yếu tố phân tích dường như là một cách tiếp cận thích hợp trong trường hợp này. Ju và Choo (2002, 2005a) nghiên cứu tự nhiên rung động và năng động phản ứng của hệ thống cẩu tháp do sự tăng tốc hoặc giảm tốc độ của tải trọng, nơi chi tiết finite yếu tố mô hình của các hệ thống cần cẩu được sử dụng. Chuyển động của tải trọng trong nghiên cứu của họ là con-fined theo hướng dọc mà không có bất kỳ chuyển động swing hoặc lắc.Mục tiêu của nghiên cứu này là để lấy được tích hợp finite nguyên tố công thức để phân tích các động thái của các cần cẩu tháp cùng với chuyển động quả lắc của trọng.

Kết quả (Việt) 2:

Tóm tắt

phản ứng động của cần cẩu tháp cùng với các chuyển động lắc của tải trọng được nghiên cứu trong báo cáo này. Đề án nhiễu loạn đơn giản và giả thiết về góc con lắc nhỏ được áp dụng để đơn giản hóa sự quản phương trình. Các cần cẩu tháp được mô hình hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn, trong khi chuyển động con lắc là đại diện như động học cứng nhắc cơ thể. Phương trình quản Tích hợp cho các vấn đề động lực cùng có nguồn gốc dựa trên các phương trình Lagrange s bao gồm các chức năng tản. Động thái của một mô hình cần cẩu ffi ng ​​lu thực với các chuyển động con lắc hình cầu và phẳng được phân tích bằng các công thức đề xuất và phương pháp tính toán. Nó được tìm thấy rằng các phản ứng năng động của cần trục tháp được chi phối bởi cả fi đầu tiên vài tần số tự nhiên của cơ cấu trục và chuyển động lum pendu- của tải trọng. Các yếu tố fi cation ampli động nói chung tăng lên cùng với sự gia tăng của góc pendu- lum ban đầu và thay đổi chỉ là hơi phi tuyến cho chuyển động con lắc phẳng.
2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Từ khóa: Cẩu tháp; Phần tử hữu hạn; Pendulum; Động lực học kết cấu



1. Giới thiệu

Cần cẩu tháp được sử dụng để nâng và di chuyển trọng tải nặng trong việc xây dựng các tòa nhà cao tầng. Dưới kích thích bên trong hoặc bên ngoài, các tải trọng luôn có xu hướng dao động về vị trí thẳng đứng của nó, kết quả là một động lực vấn đề cùng của sự rung động của cơ cấu trục và chuyển động lắc của tải trọng. Kiểu này rung lắc gây ra có thể gây mất ổn định hoặc thiệt hại nghiêm trọng cho


* tác giả tương ứng. Tel .: [phone]; Fax: [phone].
Địa chỉ E-mail:. [e-mail] (YS Choo)

0020-7683 / $ - xem vấn đề trước 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved. doi: 10,1016 / j.ijsolstr.2005.03.078

hệ thống cần cẩu. Thúc đẩy bởi nhu cầu của thiết kế cẩu và kiểm soát, e ff những nỗ lực đang được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu hiểu biết đứng tự nhiên và kỹ thuật vật lý hàm ý của sự năng động của hệ thống cầu trục bao gồm tải pay-. Một đánh giá gần đây về động lực cần cẩu, mô hình hóa và điều khiển được cho bởi Abdel-Rahman et al. (2003).
Các nghiên cứu liên quan đến động lực và điều khiển cần cẩu đã được chủ yếu dựa trên các mô hình fi ed Simpli các cấu trúc cần cẩu. Chin et al. (2001) theo mô hình một cần trục như một con lắc hình cầu và một hệ thống cứng nhắc với hai độ-of-tự do và cho rằng sự chuyển động của nền tảng trong uences fl, nhưng không phải là trong chịu ảnh hưởng bởi sự đong đưa của tải trọng. Cấu trúc cần cẩu cũng được coi là cơ quan cứng nhắc có hay không có dis- suối bê trong các nghiên cứu tiến hành bởi Towarek (1998), Kiliceaslan et al. (1999) và Ghigliazza và Holmes (2002). Oguamanam et al. (2001) đã nghiên cứu động lực học của hệ thống cần cẩu trên cao, nơi một mô hình chùm đã được sử dụng để đại diện cho tính linh hoạt fl của cấu trúc cần cẩu. Nói chung, các cation fi Simpli trên Eling vào mô hình cấu trúc của cần cẩu là hợp lý khi các động thái của các chuyển động lắc của các tải trọng là mối quan tâm chính. Tuy nhiên, khi căng thẳng và phản ứng năng động của cấu trúc cần cẩu được quan tâm, một mô hình chi tiết của cấu trúc cần cẩu được chắc chắn cần thiết. Một cần cẩu tháp là một hệ thống kết cấu sisting niệm phức tạp của khung không gian, hệ thống truyền hình cáp và gộp khối lượng và, do đó, phân tích phần tử hữu hạn fi dường như là một cách tiếp cận thích hợp trong trường hợp này. Ju và Choo (2002, 2005a) đã nghiên cứu rung động tự nhiên và đáp ứng động của hệ thống cần cẩu tháp do sự tăng tốc hoặc giảm tốc độ của tải trọng, nơi fi nite mô hình phần tử chi tiết của hệ thống cần cẩu đã được sử dụng. Sự chuyển động của tải trọng trong nghiên cứu của họ là fi niệm định nghĩa phương thẳng đứng mà không cần bất kỳ swing hoặc con lắc chuyển động.
Mục tiêu của nghiên cứu này là để lấy được công thức thành phần hữu hạn tích hợp để phân tích động lực học của cần trục tháp cùng với sự chuyển động lắc của khối hàng.