Расчет сейсмозащитных качеств демпфера и гасителя с возможностью их использования в летательных аппаратах

Полный текст

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.

Об авторах

Иномжон Урушевич Маджидов

Министерство высшего и среднего специального образования Республики Узбекистан

Автор, ответственный за переписку.
Email: ibragimov-dem@yandex.com

доктор технических наук, профессор

Республика Узбекистан, 100100, Ташкент, ул. 2-я Чимбайская, 96

Малика Бахтияровна Арипходжаева

Ташкентский государственный технический университет имени И. Каримова

Email: ibragimov-dem@yandex.com

старший преподаватель кафедры безопасности жизнедеятельности.

Республика Узбекистан, 100100, Ташкент, ул. Университетская, 2

Дилноза Мухитдиновна Рахматова

Ташкентский государственный технический университет имени И. Каримова

Email: ibragimov-dem@yandex.com

старший преподаватель кафедры безопасности жизнедеятельности.

Республика Узбекистан, 100100, Ташкент, ул. Университетская, 2

Адылжан Арифджанович Сулейманов

Ташкентский государственный технический университет имени И. Каримова

Email: ibragimov-dem@yandex.com
SPIN-код: 2555-7348

доктор технических наук, профессор кафедры безопасности жизнедеятельности

Республика Узбекистан, 100100, Ташкент, ул. Университетская, 2

Список литературы