سیستم میراگر لاستیکی و هیدرولیکی دربادبندها

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

چکیده[ویرایش]

درکمک فنرهای لاستیکی نصب شده درکامیون های جدید بطوری که اگر کامیون باسرعت متوسط بالایی از کامیون هایی که فاقد کمک فنرهای لاستیکی هستنداز روی سرعت گیرها با بار متوسط 30 تن عبور کندخیلی نرم واکنش های حاصل از این نیروی دینامیکی مستهلک و تخلیه می شود ولی کامیون فاقد این سیستم با ضربه های شدید وپر سرو صدایی مواجه می شود. این ایده را در حین عبور از روی یک سرعت گیر بطوری که کامیونی که دارای این سیستم بود و با سرعت ” بالاتری از من پشت سر و هم جهت عبور و هماهنگ از روی سرعت گیر بدون ترمز کردن عبور کرد موقعیت به گونه ای بود که راحت ومسلط بر قسمت زیرین کامیون عکس العمل های این سیستم لاستیکی را دیدم . هدف از طراحي سيلندرهاي كششي – فشاري در بادبندهاي ساختمان تقليل ضربه هاي حاصل از زلزله بر پيكر و اعضاي سازه هاي فولاديست بگونه اي كه اين سيلندرها نيروهاي ( كششي – فشاري) وارد بر بادبندها را كاهش داده و شدت ضربه را گرفته و بصورت حركتي نرم ويكنواخت چه در كشش و چه در فشار بر سازه اعمال نمايند. 

مقدمه[ویرایش]

هدف از طراحي سيلندرهاي كششي – فشاري در بادبندهاي ساختمان تقليل ضربه هاي حاصل از زلزله بر پيكر و اعضاي سازه هاي فولادیست بگونه اي كه اين سيلندرها نيروهاي ( كششي – فشاري) وارد بر بادبندها را كاهش داده و شدت ضربه را گرفته و بصورت حركتي نرم ويكنواخت چه در كشش و چه در فشار بر سازه اعمال نمايند.

طرح اين سيلندر ها همانند كمك فنر است .

كمك فنر ضربه هاي فشاري وارد بر وسايل نقليه را گرفته و مانع ورود ضربه بر پيكر وسايل نقليه شده و از شدت آن مي كاهد.

در اين صورت وسيله نقليه با حركتي ملايم ونرم ضربه را تحمل مي نمايد.

كمك فنرها فقط ضربه هاي فشاري را تحمل مي كنند ولي اين سيلندرها طوري طراحي شده كه به سهم مساوي ضربه هاي ناشي از زلزله را چه در كشش و چه در فشار كاهش دهد. 

ساختمان سيلندر ( كششي و فشاري) بادبندها :[ویرایش]

ساختمان اين سيلندرها بسيار ساده است و به سهولت قابل ساخت و اجراء مي باشد، و در مقايسه با كپسول هاي هيدروليكي تعبيه شده در بادبندها كه بوسيله ژاپني ها ساخته شده هزينه بسيار ناچيزي دارد.

قسمت اول : سيلندر خارجي است كه عامل اصلي محرك نيرو را در بر مي گيرد. ( فولادي).

قسمت دوم : بازوي اعمال نيرو است. بصورت هم جهت(نیروبه داخل) نيروي فشاري را به قطعه فشاري را كه در هسته است اعمال مي كند.

و در جهت مخالف (جهت نیروبه داخل)هم نيروي كششي را به قطعه هاي كششي كه در طرفين هر بازو تعبيه شده اعمال مي كند.

قسمت سوم : پيستون هاي اعمال نيرو هستند كه واسط بين بازو و قطعات فشاري و كششي و جدا كننده قطعات كششي و فشاري از هم مي باشد.(پیستون ها به بازومتصلند)

قسمت چهارم : قطعات كششي مي باشند.

اين قطعات از جنس لاستيك سخت مي باشد كه تنش كششي را در هر بازو بصورت جداگانه گرفته به صورت فشاري جذب مي كند.

قسمت پنجم : قطعه فشاري يا هسته نام دارد كه در مركز سيلندر قرار دارد و نيروهاي اعمال شده را از پيستون هاي دو طرف بصورت فشاري گرفته و جذب مي كند. اين قطعه هم از جنس لاستيك مي باشد.


(T)عملكرد سيلندر بادبند در كشش[ویرایش]

1- نيروهاي وارد بر سيلندر اگر بصورت فشاري باشد.همانندشکل شماره2 نيروهاي هر دو بازو جمع مي شود و اعمال نيرو در قطعه مياني بصورت فشاري (P) مي باشد.

2- نيروهاي وارد بر سيلندر اگر بصورت كششي باشدهمانندشکل 3 نيروي هر دو بازو با جهت خلاف هم هر كدام به ميزان P/2 به قطعه هاي كششي بصورت  T كشش اعمال مي شود.

T = P/2

3- عملكرد اين سيلندرها در سيستم بادبند چه در اعضاي فشاري و چه در اعضاي كششي در كليد سازه بصورت يكسان مي باشد.

شکل-2)مکانیزم سیلندردرفشار

شکل-3)مکانیزم سیلندردرکشش

مدل شماره 1 دو برابر مدل شماره 2 نيرو وشتاب وارد نيرو بر اعضا را كاهش مي دهد به دليل اينكه نيروي وارده بر دو قسمت بنام P تقسيم مي شود.]

روش ساخت [ویرایش]

اين سيلندرها خيلي راحت قابل ساخت مي باشند. ومي توان از پروفيل هاي موجود در بازار براي ساخت آن استفاده كرد.

بنابه محاسبات انجام شده براي بادبند و اعمال نيرو 1- قوطي دايره اي براي سيلندر در هر اندازه در بازار موجود مي باشد.          IX=IY 

اگر پیچش یا تغییر شکل رخ دهد

ممان اینرسی درهر دو راستا یکی است اتفاقی رخ  نمی دهد

2- پروفيل بازوها هم با توجه به محاسبات با هر مقطعي قابل اجراست به شرطي كه قطعات كششي را از آن مقطع عبور دهيد. ( مقطع توجيهي پروفيل دايره )

3- براي ساخت پيستون ها از هر خلاقيتي مي توان استفاده نمود.

بطور مثال ( بريدن قوطي دايره اي با قطر خارجي به اندازه قطر داخلي سيلندر و كمي كوچكتر انتخاب شود با ورق مناسب محاسبه شده دو طرف پيستون بسته شود) و يا از پروفيل نورد شده توپر مي توان استفاده نمود.

توجه : به جهت سهولت حركت و اعمال نيرو پيستون ها به اعضاي كششي و فشاري مي توان سطح داخلي سيلندرها را گريس يا روغن زد.

قطعات 4 و 5 ساخته شده از لاستيك به سهولت يافت مي شود.

بايد سعي شود از لاستيك فشرده با ضريب الاستيسيته بالا استفاده شود. E ثابت باشد ولي مهم خاصيت ارتجاع و فشردگي بالا و زياد لاستيك است بايد توجه داشت كه طول لاستيك را حداقل بيشتر از هر طرف  بیشتر از اندازه واقعی بگیریم به دلیل درگیری بیشتر بین لاستیک وفولاد

محاسبه مکانیکی سیلندر و بازوها:

و حال برای محاسبه استوانه سیلندر می بایست آنرا یک شفت تو خالی دایره ای فرض کرد که قابل محاسبه باشد و من این سیلندر را یک شفت فرض کرده و آنرا با روابط حاکم بر شفت ها براساس مکانیک جامدات محاسبه خواهم کرد. تنش های موجود در شفت:

ما در این شفت به دلیل آزادی حرکت پیچش نخواهیم داشت ولی ممکن است بر اثر اعمال نیروی آنی زلزله بطور مایل بر صفحه شفت ها یک لحظه گیرداری و باعث پیچش شود.

پس خواهیم داشت.

شفتی مانند AB را که در نقاط B,A تحت گشتادرهایی مساوی (از نظر مقدار) و مخالف (از نظر جهت)  قرار گرفته در نظر بگیرید.

از نقطه ی دلخواه صفحه ای بر شفت می گذرانیم، بطوری که این صفحه بر محور شفت قائم باشد.

چون شفت تحت پیچش است نمودار آزاد قسمت BC باید شامل نیروهای برشی المانی (جزئی) df که جهتشان بر شعاع شفت قائم است، باشد.

این نیروها توسط قسمت AC بر قسمت BC وارد می شود.

اما برای اینکه قسمت BC در حالت تعادل باشد لازم است که این سیستم نیروهای المانی معادل یک گشتاور داخلی T، که مساوی و مخالف (از نظر جهت)  است، باشد. با نشان دادن فاصله قائم بین نیروهای df و محور شفت توستP و با توجه به این که مجموع ممان های حاصل از نیروهای برشی df به حول محور شفت باید از نظر مقدار مساوی گشتاور T باشد خواهیم داشت.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           (1)

چون df=tdA است لذا می توان معادله ی فوق را بصورت زیر نوشت.

البته در این رابطه T عبارتست از تنش برش المان dA                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      

                                                           2)

تغییر شکل شفت مدور (شفت گرد)[ویرایش]

شفت ورودی را که از یک انتهایش یک تکیه گاه ثابتی متصل است. در نظر بگیرید اگر گشتاور T به انتهای دیگر این شفت وارد گردد، شفت پیچش خورده و انتهای آزاد آن به اندازه ی زاویه  می چرخد.

این زاویه را «زاویه پیچش» می نامند:

آزمایشات و مشاهدات انجام یافته نشان می دهند که در یک محدوده ی مشخص از گشتاور T زاویه ی پیچش  یا گشتادر T متناسب است.

همچنین زاویه ی  با طول L شفت نیز متناسب می باشد.

مقاطع شفت های مدور تحت بار پیچشی به دلیل تقارن محوری، مستوی می ماند. و مقطع سیلندرها هم متقارن است.

پس در این سیلندر تغییر شکل ناشی از پیچش نخواهیم داشت.

تنش ها در ناحیه الاستیک:

تا این مرحله پیرامون محاسبه شفت های مدور (سیلندر) هیچ رابطه ی ویژه ای را بین تنش و کرنش فرض نکرده ایم. اکنون حالتی را در نظر می گیریم که در آن تنش های برشی به وجود آمده در شفت بر اثر اعمال گشتاور T از استحکام سیلان  کوچکترند.

در واقع تنش های شفت در حدی پائین تر از حد تناسب و حد الاستیک باقی می مانند. در این حالت قانون هوک در مورد شفت صادق است.

زیرا هیچگونه تغییر شکل دائمی در شفت بوجود نمی آید و این به دلیل نیروی زنده و آنی زلزله است.

و با توجه به تنش و کرنش برشی می توان نوشت.        

                (3

در این رابطه G عبارت از مدول صلابت پا مدول برشی ماده است.

با ضرب کردن هر دو طرف معادله ی فوق با کرنش برشی  در فاصله P از محور شفت بصورت زیر بیان کرد.

                                                                                                                                                       (4

و خواهیم داشت                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            (5

و با استفاده از معادله 3-4) می توان بصورت زیر نوشت:

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      (6

معادله بدست آمده نشان می دهد تا زمانی که مقدار تنش اعمالی در هیچ نقطه ای از شفت مدور از حد سیلان (حد تناسب) تجاوز نمی کند تنش برشی در شفت به طور خطی نسبت به فاصله از محور شفت P تغییر می کند. و حال برای بازوها خواهیم داشت.

با پخش تنش را در یک شفت مدور تو پر به شعاع C و همچنین در یک شفت تو خالی به شعاع داخلی C1 و خارجی C2 در می یابیم.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  (7

می دانیم که مجموع گشتاورهای نیروهای کوچک عامل بر هر یک از مقاطع شفت باید مقدار گشتادر T عامل بر شفت مساوی باشد:

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             (8

با جاگذاری مقدار T از (6-4) در (2-4) می توان نوشت.

9-)                                                                                                                                                                                                                                                                                         

اما انتگرال آخری در معادله فوق ممان اینرسی J سطح مقطع را نسبت به مرکز O نشان می دهد.

بنابراین خواهیم داشت

                                 (10

و با حل معادله بالابر حسب TmaX خواهیم داشت.          

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    (11

با جاگذاری مقدار TmaX از معادله (11-4) در (6-4) تنش برشی موجود در هر فاصله ی P از محور شفت به صورت زیر بدست می آید:

                                                                                                                                                  (12

معادلات (11) و (12) بنام «فرمول های پیچش الاستیک» معروفند.

بطوریکه در بحث استاتیک ممان «گشتاور» اینرسی قطبی دایره ای به شعاع C عبارت از  است. در مورد دایره ای تو خالی به شعاع داخلی C1 و خارجی C2 ممان اینرسی قطبی بصورت زیر خواهد بود.

13)  

توجه:

اگر در معادله ی (11) یا (12) از واحدهای S1 استفاده شود. T برحسب P,C.N.m برحسب متر و J برحسب m4 و تنش برشی برحسب N/m2 یا پاسکال (Pa) خواهد بود.

==بررسی احتمالی تغییر شکل سیلندرها بر اثر زلزله:==

یک عضو توفانی غیر مدور و تحت بار پیچشی را در نظر بگیرید چون ضخامت t جداره شفت در مقطع عرضی ممکن است تغییر کند لذا فرض می کنیم ضخامت در مقایسه با سایر ابعاد شفت کوچکتر باقی بماند.

قسمت روشن AB را که در بین دو صفحه ی عرضی به فاصله  و دو صفحه ی طولی قائم بر جدار محصور است از جدار شفت جدا می کنیم. چون قسمت AB در حالت تعادل است لذا مجموع نیروهای وارد بر آن در جهت افقی x باید مساوی صفر باشد.

بنابراین نیروهای باقیمانده عبارتند از نیروهای برشی FB,FA که بر دو انتهای قسمت AB اثر می کنند. بدین ترتیب خواهیم داشت.

14)                                                                                                          

حال FA  را برحسب حاصلضرب تنش طولی TA در  سطح کوچک A  با مساحت   بیان می کنیم

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    (15

بطوریکه ملاحظه می نمائید با وجود اینکه تنش برشی مستقل از مختصات X نقطه ی موردنظر است اما می تواند در عرض جدار تغییر نماید.

بنابراینTA مقدار متوسط تنش محاسبه شده در عرض جدار را نشان می دهد

به بیان FB به روشی مشابه بالا و با جاگذاری مقادیر FA و FB در معادله ی (14-4) خواهیم داشت

16)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

نکته:

جدار عضو باید حفره ی واحدی را محصور کند و نباید باز باشد به عبارت دیگر،عضو از نظر تو پولوژیک معادل با یک شفت توخالی می باشد

چون A و B  به دلخواه انتخاب شده بودند لذا معادله ی (16-4) بیان می کند که حاصلضرب تنش برشی  طولی t در ضخامت جدار شفت tt)) در سرتاسر عضو مقداری ثابت است.

با نشان دادن این حاصلضرب توسط q  خواهیو داشت                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

پدیده چکش آبی در سیلندرهیدرولیکی[ویرایش]

چکش آبی پدیده ای است که طی آن در قسمت های مختلف لوله در اثر بستن ناگهانی شیر،فشار ناگهانی بوجود می آید.این پدیده به نام ضربه قوچ یا قوچ آبی نیز نامیده می شود زیرا  قوچ به هنگام حمله، ابتدا دورخیز می کند و آنگاه سرعت می گیرد و در ضمن برخورد،سرعت آن به طور ناگهانی صفر می شود که حاصل آن ایجاد ضربه است.در مورد چکش نیز همین مسئله صادق است زیرا ابتدا چکش را بالا می برند و پس از پائین  آوردن به آن انرژی سرعتی می دهند و هنگام برخورد سرعت آن بطور ناگهانی صفر می شود.

در حقیقت چکش آبی پدیده خیلی سریعی است که طی آن مایع و لوله تغییر شکل الاستیک تولید می شود/

این تعبیر دکتر حسن مدنی در مورد این پدیده را می توان در مورد این سیلندر هم به کار برد.

چون نیروی زلزله هم مهنند ضربه ناگهانی بر این پدیده اعمال می شود.البته در فرضیات دکتر حسن مدنی مایع در حال حرکت است ولی در این سیستم مایع ثابت و بوسیله بازوها مورد هجوم قرار می گیرد.

بازو با سرعت v0 در داخل سلیندر حاوی مایع در حال حرکت می باشد و سپس بر اثر ضربه به سیال می ایستد.اگر سطح مقطع سیلندر را A فرض کنیم و بعد از ایستادن نیروی ضربه صرف کار لازم برای تغییر شکل مایع و دیواره سیلندر می شود.

به عبارت دیگر، در اثر ازدیاد فشار حاصله (که آن را   می نامیم)، سیلندر تحت کشش و مایع تحت فشار قرار می گیرد.

برای اندازه ی موج فشاری در این سیلندر می توان از مساوی قراردادن انرژی جنبشی مایع قبل از بستن شیر و کار لازم برای تغییر شکل های مایع و لوله (سیلندر) بدست آورد.

انرژی جنبشی و بازو با سرعت V0 در داخل سیلندر به شعاع R در حرکت است. از رابطه زیر حاصل می شود.

1)                                                                                                                                                                                                                                                                                          

که در آن

=M جرم مایع موجود

=L طول لوله

P=جرم مخصوص مایع

کار انجام شده ضمن تغییر شکل برابر نصف حاصلضرب نیرو در تغییر شکل حاصله است (این مطلب در بحث مقاومت مصالح به اثبات رسیده)

اگر فرض کنیم نیروی فشاری باعث انبساط شعاع لوله به اندازه  شده باشند مطابق شکل کار لازم برای این تغییر شکل خواهد شد:

2)                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

اما برای پس قانون هوک می توان نوشت:

3)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

که در آن:

C=تنش عمودی ناشی از

C=تغییر شکل نسبی

E=ضریب الاستیسته

از طرف دیگر اگر  ضخامت لوله فرض شود، تنش حاصله را از فرمول شهود زیر از مقاومت مصالح نیز می توان نوشت:

4)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

اگر  از رابطه 3-2 حساب کرده و به جای C از رابطه 4-2 قرار دهیم. خواهیم داشت.

5)                                                                                           

اگر در رابطه 3-2) به جای  از رابطه 5-2 استفاده شود خواهد شد

6)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

بنابرآنچه گفته شد کار انجام شده برای تراکم حجم W از مایع را می توان از نصف حاصلضرب نیروهای فشاری در تغییر حجم  آن به دست آورد:

7)                                                                                                      

در مقایسه با قانون هوک در مورد تغییر شکل های خطی، بین تغییر حجم نسبی مایعات و فشار اعمال شده، رابطه زیر برقرار است.

8)                                                                                                                                     

در این رابطه k ضریب تراکم پذیری مایع است بدین ترتیب ، اگر  حجم مایع دو سیلندر باشد. اگر به جای  در رابطه 7-2 مقدار آن را از رابطه 8-2 قرار دهیم نتیجه خواهد شد.

9-2)                                                                       

مطابق آنچه گفته شد. بایستی رابطه زیر برقرار باشد:

10-2)                                                                                                                                  

و یا :

11)

اگر این رابطه را نسبت به  حل کنیم نتیجه به شرح زیر حاصل خواهد شد:

12)                                                                                                          

در رابطه فوق بعد فیزیکی عبارت  از جنس سرعت است. اگر سیلندر  باشد. عبارت a، نمایشگر سرعت باشد. به آنکه سرعت صوت ، در حقیقت سرعت عبور ارتعاشی ناشی از انبساط یا فشار اجسام است بنابراین میتوان گفت فرمول نهایی چکش آبی را می توان به صورت زیر نوشت:

13)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          

نتیجه گیری[ویرایش]

این سیستم دربادبند ها بصورت میراگر نیروی حاصل از زلزله رامستحلک و عملکرد سیستم قاب های مهاربندی شده را بهبود می بخشد.

از روابط مکانیک جامدات(مقاومت مصالح) نیروهای پیچشی .برشی.

 ولهیدگی محاسبه وبرابر مقدارمجاز آیین نامه ای فولاد -0.6fy-برای فشاروکشش محوری 0.4fایران یعنی( برای برش

و...درکتاب مقررات ملی ساختما مبحث10آین نامه 519) چک شود. وهمچنین نیروی حاصل از ضربه زلزله در صورت استفاده از سیال قابل محاسبه ومشخص می باشد

ذکرعدد 0.6 و.0.4 بطور مثال است

منبع[ویرایش]

[۱]

[۲]

[۳]

</ref> Belyayev,n,m  “problems in strength of materials” ,programon press 1966 [۴] Hal,a. and kabaila,a.p., “basicconcepts of structural analysis”,john wiley and sons,1977 [۵]  Popov, e.p., nagarajan,s., and lu,z.a., “mechanics of materials”,2nd ed ,prenice-hall,inc.,1976 [۶]  Zuk,w.,”conceots of steructure”, reinbold publishing corporation,1967 [۷] https://www.civilica.com/Paper-INRC03-INRC03_193.html <ref>


//~~//

  1. ابوطالب فلاح [| مجتبی فلاح] - سیستم میراگر لاستیکی و هیدرولیکی دربادبندها- اولین کنفرانس بین المللی مقاوم سازی لرزه ای ، تبریز- ایران ، 29 مهر الی 1 آبان ماه 1387
  2. مقاومت مصالح فردیناند-پ.بی یر –راسل جانستون انتشارات دانشگاه تهران
  3. مکانیک سیالات وهیدرولیک-دکترحسن مدنی