Calculation of seismic qualities of the damper and vibration transducer with the possibility of their use in aircraft

Cover Page

Abstract


The aim of the work. The article aims to determine the most effective seismic protection devices, as well as their degree of reliability in different conditions. The method of comparative calculation for determining the quality of seismic protection devices is given. An example of calculation for the damper and vibration transducer is carried out. Calculations show that the use of seismic protection devices reduces the coefficient of K 3 more than twice. Seismic protection is an urgent problem not only in construction, but also in all branches of the technosphere. The option of using seismic protection devices in aircraft is also considered. Methods. A comparative calculation of the behavior of dampers and vibration transducer taking into account the friction coefficients f tr, the sum of vertical loads ∑ Qkd , the total shear seismic force ∑ Sdc is considered. The diagram of the location of seismic protection devices (damper and vibration transducer) under the building is presented, as well as the options for installation in aircraft are given. Comparative calculations are carried out with the presence of seismic protection installations and without them. Results. The total result is given taking into account the change in the value of horizontal seismic loads Sik , which has changed in the range of 2.26-2.46 times. This circumstance allows to conclude that the proposed damping device reduces the seismic load, which falls on the protected structure, by 1-2 points, with almost the same efficiency as the vibration transducers (difference of 0.3 times).


Введение1 В статье рассматривается сравнительный расчет гасителей и демпферов для применения в зда- ниях и сооружениях, а также в летательных аппаратах. При сейсмической нагрузке происходит разрушение зданий и сооружений, а также отдельно стоящих (или находящихся в ангарах) летательных аппаратов. Ожидается, что возможно снижение сейсмической нагрузки при применении сейсмозащитных устройств. Произведен расчет способности каждой из установок снизить вертикальные и горизонтальные нагрузки, приходящиеся на конструкции. На рис. 1 и 2 даны схемы установки демпферов и гасителей в зданиях. На рис. 3 - схема установки на летательные аппараты. Шасси представляет собой демпферную стой- International License ку, к которой крепится колесная тележка ропланов - поплавок). В зависимости от массы самолета различаются конфигурации шасси. Наиболее часто встречающиеся: одна передняя стойка и две основных (Ту-154, А320), одна передняя и три основных (Ил-96), одна передняя и четыре основных (Боинг 747), две передних и две основных (B-52). На рис. 4 даны формы и свободные колебания зданий и сооружений при использовании активных сейсмозащитных систем [1-3]. Исходные расчетные данные, формулы и схемы При расчете степени влияния сейсмических воздействий с учетом активной сейсмозащиты на объект исследования придерживаются нормативных данных, заложенных в КМК 2.01.03-96 «Строительство в сейсмических районах» (Қурилиш мейор қойдалари - Строительные нормы и правила). Рис. 1. Схема расположения демпферных устройств под зданием: А - вид фасада здания; Б - аксонометрия демпферного устройства; В - расположение 23 демпферных устройств под зданием; 1 - паронитовое демпферное устройство; 2 - металлические пластины крепления; 3 - железобетонная подушка (полуподвальный производственный отсек) [Figure 1. The scheme of an arrangement of damping devices under the building: A - view of the facade of the building; Б - axonometry of the damper device; В - location of 23 damper devices under the building; 1 - paronite damping device; 2 - metal mounting plates; 3 - reinforced concrete cushion (basement production compartment)] Вводится коэффициент снижения амплитуд ускорений К3 (К3 - коэффициент снижения амплитуд горизонтальных ускорений), который необходим для учета совокупного воздействия устройств активной сейсмозащиты на защищаемое сооружение (табл. 2.7 п. 2.13 КМК нормирует коэффициент α в зависимости от сейсмичности площадки строительства (в баллах)) [4]. Расчетное значение К3, как показано в работе Л.Л. Солдатовой [5-6], определяется из условия не превышения суммарной перерезывающей силы уровня скользящего пояса по формуле n n К3 = fтр ∑ Qk / ∑ Sik, (1) k=1 k=1 где fтр - коэффициент трения скольжения в опорах при использовании сейсмозащитных устройств. Рис. 2. Схема расположения гасителей под зданием: А - вид фасада здания; Б - схема гасителя; В - расположение 7 гасителей под зданием; 1 - гаситель; 2 - пневмонагнетатель; 3 - железобетонная подушка (полуподвальный производственный отсек); 4 -стержень с поршнем; 5 -жидкость для гашения колебаний [Figure 2. Layout of vibration transducers under the building: A - view of the facade of the building; Б - vibration transducer scheme; В - the location of 7 vibration transducers under the building; 1 - vibration transducer; 2 - air blower; 3 - reinforced concrete cushion (basement production compartment); 4 - rod with piston; 5 - liquid for vibration damping] fтр допускается уточнять на основе модельных или натурных испытаний. Для случая расчета без сейсмозащитного устройства для бетона fтр = 0,445. Для демпферного устройства fтр = 0,2775. Для гасителей fтр = 0,1304. ∑Qkд - сумма вертикальных нагрузок при использовании демпфера. ∑Sдk - суммарная перерезывающая сейсмическая сила при использовании демпфера. ∑Qkг - сумма вертикальных нагрузок при использовании гасителя. ∑Sгk - суммарная перерезывающая сейсмическая сила при использовании гасителя. Ряд уточнений взят также из КМК (коэффициент α определялся по табл. 2.7 в зависимости от сейсмичности площадки строительства) для определения Sik. Sik = К0 Кп Кэт Кр Sоik, (2) где К0 - коэффициент ответственности, принимаемый по табл. 2.3, зависящий от принятого для здания предельного состояния, для сооружений по степени важности подобным электростанции принимается равным 1,5 [4]; Кп - коэффициент учета повторяемости землетрясений, по табл. 2.4 принимается равным 1,2; Кэт - коэффициент, зависящий от этажности здания, по п. 2.17 принимается равным 1; Кр - коэффициент регулярности, определяемый по п. 2.25, принимается равным 1; Sоik - среднее значение сейсмической нагрузки, соответствующее i-му тону собственных колебаний, определяемое в предположении упругого деформирования конструкции по формуле Sоik= αQk Wi Kδηjk , (3) где Qk - нагрузки (постоянные и временные), вызывающие инерционную силу в точке k, определяющиеся по п 1.3 КМК; ηjk - коэффициент, зависящий от формы деформации здания при его свободных колебаниях, принимается пп. 2.18 и 2.19 КМК. Необходимо учитывать, что в технологии посадки летательных аппаратов сейчас активно используются амортизатор - устройство для гашения колебаний (демпфирования) и поглощения толчков и ударов подвижных элементов (подвески, колес), а также корпуса самого транспортного средства посредством превращения механической энергии движения (колебаний) в тепловую [7-9; 11-14]. Сейсмозащиту летательных аппаратов можно усиливать дополнительным встраиванием внутри летательного аппарата гасителей (рис 3.), позволяющих кинетическую энергию, приносимую сейсмонагрузкой, превращать в потенциальную. n n ηik = Хk  Qj Хj / Qj Хj 2 (4) j1 j1 I II Рис. 3. Расчетные схемы для демпфера и гасителя c возможностью для устанавливания в летательных аппаратах: I - сравнительные схемы устойчивости летательного аппарата: без демпферного устройства (А) и с демпферным устройством (Б) [15-16]; Q - нагрузка, приходящаяся на сооружение; II - расчетная схема с динамическим гасителем колебаний для летательных аппаратов: m(х) - погонная масса конструкций; X(х) - ордината нормированной формы собственных колебаний по основному тону (ордината в точке подвеса гасителя принимается равной единице); mk - масса конструкций к нагрузке, сосредоточенная в точке с координатой xk; h - общая высота; n - общее число сосредоточенных масс Fтр - сила сухого трения в гасителе; Сг - коэффициент вязкого трения в гасителе; Ук - ускорение основания при землетрясении [17-18] [Figure. 3. Design schemes for the damper and vibration transducer when installed in aircraft: I - comparative stability schemes of the aircraft: without damper device (A) and with damper device (Б) [15--16]; Q - the load attributable to the structure; II - the design scheme with a dynamic vibration transducer for aircraft: m(x) - the linear mass of structures; X(x) - the ordinate of the normalized form of natural oscillations in the basic tone (the ordinate at the point suspension of the vibration transducer is assumed to be equal to one); mk - the mass of the structures to the load, concentrated at the point with the coordinate xk; h - is the total height; n - is the total number of concentrated masses; Fтр - is the dry friction force in the vibration transducer; Сг - is the coefficient of viscous friction in the vibration transducer; Ук - acceleration of the base in an earthquake [17-18]] Рис. 4. Расчетная схема: А - свободные колебания (с демпфером, гасителем и без защиты); Б - 1 и 2 формы свободных колебаний здания при использовании активных систем сейсмозащиты: δ - ослабление колебаний активной сейсмической защиты; fтр - коэффициент трения скольжения при использовании активной сейсмозащиты [14; 17] [Figure 4. The design scheme: А - free oscillations (with damper, vibration transducer and without protection); Б - 1 and 2 forms of free oscillations of the building when using active seismic protection systems: δ - attenuation of oscillations of active seismic protection; fтр - coefficient of sliding friction when using active seismic protection [14; 17]] Практический расчет. Для параметров здания, приведенного на рис 1, А, расчетное значение ηjk без сейсмозащиты - 1,049, для случая использования демпферного устройства ηjkд - 1,213, для случая использования гасителя ηjkг - 1,104. Kδ - коэффициент, учитывающий диссипативные свойства конструкции, принимается согласно п. 2.16 КМК по формуле: α - коэффициент, определяемый по табл. 2.7 в зависимости от сейсмичности площадки строительства; Wi - спектральный коэффициент, определяемый по п. 2.14 в зависимости от периода собственных колебаний здания, в нашем случае принят равным 0,83 [10]. При этом в качестве периода использован период свободных колебаний, найденный экспериментальным путем, то есть Т = 0,5 сек. Расчетное значение: k = 13,59 кПа; (0,548 - √δ)(0,1+0,7/√Т1); Kδ = е, (5) где δ - декремент колебания, принимаемый по результатам натурных испытаний в упругой стадии зданий (сооружений), аналогичных проектируемому. Согласно результатам экспериментальных данных, для здания без демпфера δ = 0,10. Для случая применения демпферного устройства δ = 0,15. Для случая применения гасителя δ = 0,18. Т1 - период собственных колебаний здания с учетом использования активных сейсмозащитных систем, принимается равным 0,5 сек., для здания без демпферных систем - 0,3 сек. Следовательно: (0,548 - √0,18)(0,1 + 0,7 / √0,5); Kδ (гаситель) = е = 1,23; (0,548 - √0,15)(0,1 + 0,7 / √0,5); Kδ (демпфер) = е = 1,28; (0,548 - √0,10)(0,1 + 0,7 / √0,3); Kδ (без демпфера) = е = 1,73. Подставив полученные значения в (3), определим, что Sоik при 8 баллах без демпферного устройства равно 5,68 кН, при использовании демпферного устройства - 6,01 кН, на основе гасителя - 6,2 кН. Вычисление Sik: Sik (гаситель) = 1 × 0,9 × 1,23 = 1,107 кН; Sik (демпфер) = 1 × 0,9 × 1,28 = 1,15 кН; Sik (без защиты) = 1 × 0,9 × 1,73 = 1,557 кН. Полученные данные дают возможность вычислить коэффициент К3: К3 (гаситель) = 0,296 × 14,61 / 1,107 = 3,906; К3 (демпфер) = 0,32 × 14,61 / 1,15 = 4,065; К3 (без защиты) = 0,13 × 14,61 / 1,557 = 1,219. Схема действия гидравлического двухтрубного сейсмоамортизатора, устанавливаемого в летательные аппараты, представлена на рис. 5 [13; 18]. Рис. 5. Двухтрубный гидравлический амортизатор: А - нагнетающий стержень; B - внешняя труба; C - внутренняя труба; D - уплотняющий поршень; Е - демпфирующая жидкость; F - обратный клапан [Figure 5. Double tube hydraulic shock absorber: A - discharge rod; B - external pipe; C - internal pipe; D - sealing piston; E - damping fluid; F - check valve] После определения К3 пониженные за счет применения демпферной системы величины горизонтальных сейсмических нагрузок Sik, с учетом которых необходимо рассчитывать надземные конструкции здания, находятся при помощи формул (1) и (3) с заменой значений α на значение αК3 [19]. Sik (гаситель)* = Sik (гаситель) × К3 (гаситель) = 1,107 × 3,906 = 4,32; Sik (демпфер)* = Sik (демпфер) × К3 (демпфер) = 1,15 × 4,065 = 4,67; Sik (без защиты)* = Sik (без защиты) × К3 (без защиты) = = 1,557 × 1,219 =1,899. Заключение Уменьшение Sik для случая использования демпферного устройства по сравнению с вариантом без использования сейсмозащитного устройства - 4,67 / 1,899 = 2,46 раза. По сравнению с вариантом с гасителем - 4,32 / 1,899 = 2,276 раза. Таким образом, расчеты показывают, что использование сейсмозащитных устройств уменьшает коэффициент К3 более чем в два раза. Это обстоятельство позволяет сделать вывод, что предложенное демпферное устройство снижает сейсмическую нагрузку, приходящуюся на защищаемое сооружение на 1-2 балла, то есть почти с такой же эффективностью, как гасители (отличие на 8 %). Однако необходимо учитывать, что себестоимость демпферных устройств гораздо ниже по сравнению с гасителями. Кроме этого, демпферные устройства имеют высокую степень взаимозаменяемости. Для условий же летательных аппаратов наиболее эффективно устанавливать уже внутри не демпферы, а именно гасители сейсмонагрузки (рис. 5), так как в шасси технически предусмотрено демпфирование за счет амортизаторов.

Inomzhon U. Madzhidov

Ministry of Higher and Secondary Special Education of Uzbekistan

Author for correspondence.
Email: ibragimov-dem@yandex.com
96 2-ya Chimbaiskaya St., Tashkent, 100100, Republic of Uzbekistan

Doctor of Technical Sciences, Professor.

Malika B. Aripkhodzhaeva

Tashkent State Technical University

Email: ibragimov-dem@yandex.com
2 Universitetskaya St., Tashkent, 100100, Republic of Uzbekistan

senior lecturer, Department of Safety of Life.

Dilnoza M. Rakhmatova

Tashkent State Technical University

Email: ibragimov-dem@yandex.com
2 Universitetskaya St., Tashkent, 100100, Republic of Uzbekistan

senior lecturer, Department of Safety of Life

Adiljan A. Suleymanov

Tashkent State Technical University

Email: ibragimov-dem@yandex.com
SPIN-code: 2555-7348
2 Universitetskaya St., Tashkent, 100100, Republic of Uzbekistan

Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Safety of Life.

  • Suleymanov A.A., Ibragimov B.T. (2017). Ocenka faktora pozhara pri zemletryaseniyah [Assessment of the fire factor in earthquakes]. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya mekhaniki na osnove komp'yuternyh tekhnologij SamGASI [Current state and prospects of development of mechanics on the basis of computer technologies of SamGASI] (pp. 34–36). Samarkand. (In Russ.)
  • Majidov I.U., Ibragimov B.T., Suleymanov A.A. (2019). Fire danger analysis of seismic expansion joints. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, 15(1), 75–80. (In Russ.)
  • Mustakimov V.R. (2016). Proektirovanie sejsmostojkih zdanij: uchebnoe posobie [Design of earthquake-resistant buildings: textbook] (pp. 22–78). Kazan. (In Russ.)
  • KMK2.01.03-96. (1997). Stroitel'stvo v sejsmicheskih rajonah [Construction in seismic areas]. Tashkent, Goskomarkhitektstroy Publ. (In Russ.)
  • Balasanyan S.Yu., Nazaretyan S.N. (2004). Sejsmicheskaya zashchita i ee organizaciya [Seismic protection of and its organization]. Gyumri: El Dorado. (In Russ.)
  • Polyakov S.V., Kilimnik L.Sh., Soldatova L.L. (1984). Opyt vozvedeniya zdanij s sejsmoizoliruyushchim skol'zyashchim poyasom v fundamente [Experience of erection of buildings with a seismic-insulating sliding belt in the foundation]. Moscow, Stroizdat Publ. (In Russ.)
  • Akhmedov M.A. (2004). Ocenka povrezhdaemosti naibolee rasprostranennyh tipov konstrukcii zhilyh zdanij pri sil'nyh zemletryaseniyah v respublike [Damage assessment of the most common types of construction of residential buildings during strong earthquakes in the republic]. Ocenka sejsmicheskoj opasnosti i sejsmicheskoj riska: materialy Mezhdunarodnoj konferencii [Assessment of seismic hazard and seismic risk: Proceedings of the International Conference] (pp. 20–33). Tashkent. (In Russ.)
  • Eisenberg J.M. (2006). Sovershenstvovanie antisejsmicheskogo proektirovaniya i stroitel'stva: obzornoanaliticheskij doklad [Improving seismic design and construction. Review and analytical report]. Moscow, VNIINTPI Publ. (In Russ.)
  • Suleymanov A.A. Yaskevich M.V., Tamanova V.V. (2018). Universal'nyj vremennoj vektor pri spasenii postradavshih v rezul'tate sonapravlennogo vozdejstviya sejsmopozharoopasnogo faktora [Universal time vector in the rescue of victims as a result of the co-directional impact of seismic fire hazard factor]. Razvitie sovremennoj nauki: teoreticheskie i prikladnye aspekty: sbornik statej studentov, magistrov, aspirantov, molodyh uchenyh i prepodavatelej [Development of modern science: theoretical and applied aspects: collection of articles of students, masters, postgraduates, young scientists and teachers] (issue 26, pp. 58–59). Perm. (In Russ.)
  • Suleimanov A.A., Ibragimov B.T. (2017). Research of Thermal and Mechanical Influence on Ferro-Concrete Designs with Damping Inserts. International Journal of Advanced Research in Science Engineering and Technology (IJARSET), 4(9), 4595–4598.
  • Krivoshapko S.N., Mamieva I.A. (2011). Sterzhnevye sistemy v forme odnopolostnogo giperboloida vrashcheniya [Rod systems in the form of a single-cavity hyperboloid of rotation]. Montazhnye i special'nye raboty v stroitel'stve [Assembly and special works in construction], (11), 19–23. (In Russ.)
  • Bramski C. (1981). Obrotomo-symetryczne zbiorniki kroplokstaltne. Analiza pracy powloki. Zesz. nauk. Bialostock. Nauki techn., (35). (In Polish.)
  • Yuguo Wu, Yake Jiang, Bo Gao, Zhigang Liu, Jing Liu. (2018). Thermodynamic analysis on an instantaneous water heating system of shower wastewater source heat pump. Journal of Water Reuse and Desalination, 8(3), 404–411.
  • Kurtz-Orecka K., Tuchowski W. (2018). Combined heat pumpdistrict heating network energy source. E3S Web of Conferences, 49, 00063.
  • Hatem M. El Ssayd, Hussam E. Zaineh, Draji Dojcinovski, Vladimir Mihailov. (2012). Re-Evaluations of Seismic Hazard of Syria. International Journal of Geoscienes, (3), 847–855.
  • Sadooni F.N., Alsharhan A.S. (2003). Stratigraphy, microfacies, and petroleum potential of the Nauddud Formation (Albian – Cenomanian) in the Arabian Jult basin. AAPG Bull., 87(10), 1653–1680.
  • Mohamad Khir Abdul-Wahed, Ibrahim Al-Tahham. (2010). Preliminary outline of the seismologically active zones in Syria. Annals of geophysics, 53(4). doi: 10.4401/ ag-4683
  • Rawaa Dakkak, Maen Mreish, Mohamad Daoud, George Hade. (2005). The Syrian National Seismological Network (SNSN): Monitoring A Major Continental Transform Fault. Seismological Research Letters, 76(4), 437–445. doi: 10.1785/gssrl.76.4.437.
  • Wołoszyn J., Gołaś A. (2017). Coefficient of Performance Stabilisation in Ground Source Heat Pump Systems. Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems, 5(4), 645–656.

Views

Abstract - 120

PDF (Russian) - 103

PlumX


Copyright (c) 2019 Madzhidov I.U., Aripkhodzhaeva M.B., Rakhmatova D.M., Suleymanov A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.