guide for using risa3d to calc freq and mode shapes

9
CE 533, Fall 2014 Guide for Using RISA3D 1 / 9 to Calculate Natural  Frequencies and Mode Shapes Example Structure. The procedure for calculating frequencies  and modes shapes of  a multidegree of  freedom (MDOF) system will be demonstrated using the following example.   3Story, 1bay x 1bay structure.   Plan dimensions are 30’ x 30’.  All floors have a 7"thick reinforced concrete slab (f’c = 4 ksi, unit weight = 150 pcf).  All four columns are W14x30 steel columns,  Izz = 291 in 4  1. Define the material properties.  Activate the “Data Entry” menu if  it’s not already visible, and click on “Materials”.  1.1. Select the “Hot Rolled” tab and “A992”.  Make sure that the modulus is set to 29,000 ksi. 1.2. Select the “Concrete”  tab and “Conc4000NW”  (for 4000 psi normal weight concrete) and make sure “Density” = 0.150 kcf. 10' 10' 10' v1 v2 v3 30'

Upload: kingdbm

Post on 07-Jul-2018

219 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

8/19/2019 Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

http://slidepdf.com/reader/full/guide-for-using-risa3d-to-calc-freq-and-mode-shapes 1/9

CE 533, Fall 2014  Guide for Using RISA3D  1 / 9 

to Calculate Natural Frequencies and Mode Shapes 

Example Structure.  The procedure for calculating frequencies and modes shapes of  a multi‐

degree of  freedom (MDOF) system will be demonstrated using the following example. 

  3‐Story, 1‐bay x 1‐bay structure. 

  Plan dimensions are 30’ x 30’. 

  All floors

 have

 a 7"

‐thick

 reinforced

 

concrete slab (f’c = 4 ksi, unit 

weight = 150 pcf). 

  All four columns are W14x30 steel 

columns, Izz = 291 in4 

1.  Define the material properties. 

Activate the “Data Entry” menu if  it’s not already visible, and click on “Materials”. 

1.1. Select the “Hot Rolled” tab and “A992”.  Make sure that the modulus is set to 29,000 

ksi. 

1.2. Select the “Concrete” tab and “Conc4000NW” (for 4000 psi normal weight concrete) 

and make

 sure

 “Density”

 = 0.150

 kcf.

 

10'

10'

10'

v1

v2 

v3

30'

Page 2: Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

8/19/2019 Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

http://slidepdf.com/reader/full/guide-for-using-risa3d-to-calc-freq-and-mode-shapes 2/9

CE 533, Fall 2014  Guide for Using RISA3D  2 / 9 

to Calculate Natural Frequencies and Mode Shapes 

2.  Define the Sections. 

Select “Section Sets” from the “Data Entry” menu. 

2.1. Select the “Hot Rolled” tab, type in a label (e.g. “Columns”), select the W14x30 shape, 

select the A992 Material, and check that the moment of  inertia about the strong axis 

(Izz) = 291 in4. 

2.2. Select the “Concrete” tab, type in a label (e.g. “Slab”), specify a rectangular element 7 

inches deep by 180” wide (half  the building width). 

3.  Set up your drawing grid 

3.1.  If  the Graphic Editing Toolbar is not visible, right‐click anywhere in the white part of  

the screen and select it. 

Page 3: Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

8/19/2019 Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

http://slidepdf.com/reader/full/guide-for-using-risa3d-to-calc-freq-and-mode-shapes 3/9

CE 533, Fall 2014  Guide for Using RISA3D  3 / 9 

to Calculate Natural Frequencies and Mode Shapes 

3.2. Select the “Drawing Grid” icon, type in “1@30” under “X Axis” and “3@10” under “Y 

Axis”. 

4.  Layout the structure.  Select “Draw Members”, and 

4.1. 

Draw the

 columns

 after

 selecting:

 “Hot

 Rolled”,

 “Assign

 a Section

 Set”,

 “Columns”

 

(make sure to select the nodes at each level to provide an intersection for the slab 

floors). 

Page 4: Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

8/19/2019 Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

http://slidepdf.com/reader/full/guide-for-using-risa3d-to-calc-freq-and-mode-shapes 4/9

CE 533, Fall 2014  Guide for Using RISA3D  4 / 9 

to Calculate Natural Frequencies and Mode Shapes 

4.2. Draw the slab floors after selecting: “Concrete”,  “Assign a Section Set”, “Slabs”. 

4.3.  Check that your model is input correctly by selecting “Plot Options”, “Members”, 

“Wireframe”, and “Shape”. 

5.  Specify the Boundary Conditions.  Since we are building a 2‐dimensional model and RISA is 

3D program, the first task is to constrain the model to a single plane (the X‐Y plane).  Then 

we specify the boundary conditions at the support (assume fixed‐base). 

5.1.  To constrain the model to the X‐Y plane, select the “Modify Boundary Conditions” icon, 

then select

 “Fixed”

 and

 check

 the

 “Use?”

 box

 for

 “Z

 Translation”,

 “X

 Rotation”,

 and

 “Y

 Rotation”.  Then select the “Apply Entries to All Selected Joints”, and select “Apply”. 

Page 5: Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

8/19/2019 Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

http://slidepdf.com/reader/full/guide-for-using-risa3d-to-calc-freq-and-mode-shapes 5/9

CE 533, Fall 2014  Guide for Using RISA3D  5 / 9 

to Calculate Natural Frequencies and Mode Shapes 

5.2.  To specify the support conditions, select “Reaction” and check the “Use?” box for “X 

Translation”, “Y Translation”, and “Z Rotation”.  The only difference between “Fixed” 

and “Reaction” boundary conditions is reactions are not calculated for “Fixed”. 

5.3.  Check the boundary conditions by selecting ”Boundary Conditions” from the “Data 

Entry” menu.

 Your

 boundary

 conditions

 should

 appear

 as

 below.

 

6. 

Specify 

the 

Loads. 

RISA 

is 

set 

up 

for 

structural 

design 

in 

which 

the 

engineer 

checks 

the 

structural response to multiple combinations of  loads.  For this example, since we are only 

calculating the natural frequencies and mode shapes, we will only have one basic load case 

Page 6: Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

8/19/2019 Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

http://slidepdf.com/reader/full/guide-for-using-risa3d-to-calc-freq-and-mode-shapes 6/9

CE 533, Fall 2014  Guide for Using RISA3D  6 / 9 

to Calculate Natural Frequencies and Mode Shapes 

(self  weight, others could be super‐imposed dead load, live load, seismic loads, . . .) and one 

load combination (self  weight times a factor of  1.0, others could be 1.2 D + 1.6 L, . . .). 

6.1.  Select the “Basic Load Cases” icon and the “Load Combinations” icon and arrange the 

spreadsheets as shown below. 

On the “Basic Load Case” spreadsheet, type a label under “BLC Description” (e.g. “self  

weight”) and

 type

 a “‐1”

 under

 “Y

 Gravity”

 to

 specify

 that

 the

 member

 self 

 weights

 will

 

be applied in the negative Y direction (downward). 

On the “Load Combinations” spreadsheet, type another label under “Description” (e.g. 

“self  weight only”) and type a “1” under “BLC” (refers to Line 1 of  the BLC spreadsheet) 

and type a “1” under “Factor” 

6.2.  Check your model by calculating the structural response to self  weight only.  With 

Load Combination 1 selected, select the “Solve Current” icon. 

Display the

 deflected

 shape

 of 

 the

 structure

 by

 selecting

 the

 “Plot

 Options”

 icon,

 the

 “Deflection Diagrams” tab, “Load Combination”, “Include Undeflected Shadow” and 

Page 7: Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

8/19/2019 Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

http://slidepdf.com/reader/full/guide-for-using-risa3d-to-calc-freq-and-mode-shapes 7/9

CE 533, Fall 2014  Guide for Using RISA3D  7 / 9 

to Calculate Natural Frequencies and Mode Shapes 

“Apply”.  Check the indicated deformations for reasonableness (e.g. no rotation at 

fixed‐base supports, small rotations at column‐to‐floor connection, etc.). 

7.  Calculate the Natural Frequencies and Mode Shapes. 

7.1.  To calculate the natural frequencies, select the “Solution” icon, “Dynamics”, and 

“Solve”. 

Select 

“Start 

Solution” 

on 

the 

“Dynamics” 

spreadsheet 

that 

pops 

up. 

The resulting frequencies are displayed to the right: 

Page 8: Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

8/19/2019 Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

http://slidepdf.com/reader/full/guide-for-using-risa3d-to-calc-freq-and-mode-shapes 8/9

CE 533, Fall 2014  Guide for Using RISA3D  8 / 9 

to Calculate Natural Frequencies and Mode Shapes 

7.2.  To display the mode shape for Mode 1, select “Plot Options”, “Deflection Diagrams”, 

“Mode Shape”, “Mode 1 Period .9371 Sec”, “Include Undeflected Shadow”, and 

“Apply”.  Display the mode shapes for the other modes using a similar procedure. 

Mode 2  Mode 3 

8.  Adjust the RISA model to match the hand‐calculated (spreadsheet) frequencies and mode 

shapes. 

We made several simplifying assumptions when calculating the frequencies and mode 

shapes by hand. 

8.1  Make the following changes to your RISA model so that it’s frequencies match the 

hand‐calculated frequencies. 

  On the “Boundary Conditions” menu, “Fix” the rotation about the Z‐axis at all 

column‐slab  joints. 

Page 9: Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

8/19/2019 Guide for Using RISA3D to Calc Freq and Mode Shapes

http://slidepdf.com/reader/full/guide-for-using-risa3d-to-calc-freq-and-mode-shapes 9/9

CE 533, Fall 2014  Guide for Using RISA3D  9 / 9 

to Calculate Natural Frequencies and Mode Shapes 

  On the “Global Parameters” menu, “Solution” tab:  uncheck “Shear Deformation” 

  On the “Materials” menu, specify a density of  “0” for A992 steel. 

8.2  Now compare the RISA vs. hand‐calculated frequencies and mode shapes.  You can 

copy the RISA mode shapes into your Excel sheet and normalize them so that the maximum 

modal displacement

 equals

 1.0

 for

 each

 mode.