Bu tədqiqat, yüksək gərginlikli doğru cərəyan ilətim sistemlerindeki dönüştürücü klapan zalı konstruksiyaları ilə tavandan asılı dönüştürücü klapanların üfüqi və şaquli zəlzələ hərəkətlərine qarşı birlikdə korunmasını incelemektedir. Araştırmacılar, qurğuşun nüvəli rezin dayaqları, gaz yaylarını, vintvari yayları və hava sönümləyicilərini tək bir sistemde birleştiren doğrusal olmayan, özünü mərkəzləyən üçölçülü bir izolyasiya dayağı geliştirmiştir. Gaz yayı–qurğuşun nüvəli rezin dayaq alt sistemi laboratoriya təcrübələriyle incelenmiş; tüm konstruksiya ise 20 üç komponentli deprem kaydı kullanılarak ABAQUS sonlu element modeli üzerinde dəyərlendirilmiştir. Sayısal analizlerde üfüqi ivmelerde %31,8–%75,4, üfüqi yerdəyişmələrdə %20,1–%65,1, şaquli ivmelerde %24,6–%50,1 və şaquli yerdəyişmələrdə %15,2–%39,9 nisbətinda azalma bildirilmişdir.
Önerilən sistemin ayırt edici özelliği, kiçik və orta yerdəyişmələrdə seysmik izolyasiya sağlayacak kadar esnek kalırken böyük yerdəyişmələrdə gaz yaylarının doğrusal olmayan geri qaytarıcı qüvvəni artırmasıdır. Bu davranış, mesnedin qüvvə–yerdəyişmə eğrisinde böyük deplasmanlara yaklaşıldıkça belirginleşen sertleşme biçiminde görülmüştür. Gaz yayları böylece izolasyon katmanının kontrolsüz biçimde uzaklaşmasını sınırlamayı və deprem sonrasında başlangıç konumuna dönme eğilimini güçlendirmeyi amaçlamaktadır.
Bununla belə tədqiqat, kendini merkezleme davranışını birbaşa artık yerdəyişmə ölçümleriyle doğrulamamıştır. Deneysel doğrulama yalnızca üfüqi qaz yayı–qurğuşun nüvəli rezin dayaq alt sistemi üzerinde gerçekleştirilmiş; şaquli vintvari yay–hava sönümləyicisi sistemi və tam ölçekli valf holü konstruksiyası fiziksel kimi test edilmemiştir. Bu nedenle bildirilən konstruksiya düzeyindeki deprem performansı sonlu element simülasyonuna dayanmakta və nəticələrın gerçek saha tətbiqsına aktarılabilmesi üçün tam sistem təcrübələri lazımdır.
Tədqiqatın əsas sualı nədir?
Araştırmanın temel sorusu, dönüştürücü klapan zalınün ana taşıyıcı sistemi ilə tavandan esnek biçimde asılan ağır elektrik ekipmanlarının üfüqi və şaquli deprem tepkilərinin aynı izolasyon sistemiyle azaltılıp azaltılamayacağıdır. Tədqiqat həmçinin böyük üfüqi yerdəyişmələrdə yeterli geri qaytarıcı qüvvə üreterek deprem sonrasındaki kalıcı mesnet deformasyonlarını sınırlayabiləcek bir mexanizmnın tasarlanıp tasarlanamayacağını tədqiqatktadır.
Dönüştürücü valf holleri, yüksək gərginlikli doğru cərəyan ilətim sistemlerinin kritik tesislerindendir. Bu konstruksiyalar yalnızca geniş açıqlıklı bir endüstri binasından ibaret değildir. Çelik çerçevəler, betonarme duvarlar, çatı makasları, izolatörler, duvar geçitleri, parafudrlar və tavandan asılı ağır dönüştürücü klapanlar birlikdə çalışan, dinamik açıdan karmaşık bir konstruksiya–elektrik ekipmanı sistemi oluşturur. Deprem zamanı ana konstruksiya salınırken asılı ekipman kendi aşağı frekanslı hareketini sürdürebilir; çatının şaquli hareketleri de askı izolatörleri və valfler üzerinde ilavə dinamik büyütme meydana getirebilir.
Mevcut izolasyon çözümlerindeki boşluk
Geleneksel kurşun çekirdekli və ya yüksək sönümlü kauçuk mesnetler, konstruksiyanın üfüqi titreşim periyodunu uzatarak və histeretik enerji tüketerek üfüqi deprem tepkilərini azaltır. Lakin bu mesnetlerin şaquli rijitliği genellikle yüksəktir. Bu nedenle geniş açıqlıklı çatılarda və askılı elektrik ekipmanlarında görülebilən şaquli ivme büyütmesini yeterince kontrol edemezler.
Daha əvvəl geliştirilən üçölçülü izolasyon sistemleri kauçuk mesnet, hava yayı, sürtünmeli sarkaç, halka yay, negatif sərtlik və ya kayma mexanizmları gibi fərqlı çözümler kullanmıştır. Araştırmacılara göre dönüştürücü klapan zalı ilə askılı valflerin oluşturduğu bütünleşik sistem üçün cihaz geometrisinin, parametre tasarımının, komponent təcrübələrinin və tüm konstruksiya performansının birlikdə ele alındığı tədqiqatlar sınırlıdır. Önerilən NSC-3DIB sistemi bu boşluğu üfüqi və şaquli izolasyonu, enerji tüketimini və böyük deplasman geri çağırma mexanizmsını aynı mesnette birleştirerek hedeflemektedir.
NSC-3DIB hangi komponentlərden oluşmaktadır?
Doğrusal olmayan, özünü mərkəzləyən üçölçülü izolyasiya dayağı; İngilizce adıyla nonlinear self-centering three-dimensional isolation bearing və kısaltmasıyla NSC-3DIB, dört ana işlevsel komponentden oluşmaktadır:
- Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet: Yatay yük taşıma, esnek deformasyon və histeretik enerji tüketimi sağlar.
- Simetrik gaz yayları: Yatay yerdəyişmə büyüdükçe hızla artan doğrusal olmayan geri qaytarıcı qüvvə üretir.
- Helisel yaylar: Düşey rijitliği düşürerek sistemin şaquli doğal titreşim periyodunu uzatır.
- Hava sönümleyiciləri: Piston hareketi zamanı oluşan gaz sıkışması və akış direnciyle şaquli titreşim enerjisini tüketir.
Sistemde həmçinin şaquli hareketin təhlükəsiz sınırları aşmasını önleyen deplasman sınırlayıcıları, kayma rayları, bağlantı plakaları və koruyucu dış gövde mövcuddur. Şəkil 1’de üfüqi və şaquli alt sistemlerin aynı mesnette fakat fərqlı mekanik görevlerle bir araya getirildiği görülmektedir. Yatay sistemin merkezinde qurğuşun nüvəli rezin dayaq, çevresinde ise simetrik gaz yayları yer alırken şaquli sistem vintvari yaylar, hava sönümləyiciləri və sınırlayıcı elemanlardan oluşmaktadır.
Yatay hareket nasıl kontrol edilmektedir?
Yatay yönde qurğuşun nüvəli rezin dayaq ilə gaz yayları paralel çalışır və aynı üfüqi yerdəyişməye maruz kalır. Mesnet bir yöne hareket ettiğinde gaz yaylarından biri sıkışırken qarşı taraftaki uzar. Hareket yönü tersine döndüğünde bu görevler yer değiştirir. İki gaz yayındaki basınç değişimi birlikdə bir geri qaytarıcı qüvvə meydana getirir.
Kurşun çekirdekli kauçuk mesnedin üfüqi geri qaytarıcı qüvvə Bouc–Wen histerezis modeliyle ifade edilmiştir:
\[ F_L = \alpha K_0 x + (1-\alpha)F_y z \]
Burada FL kurşun çekirdekli kauçuk mesnedin üfüqi kuvvətini, K0 akma əvvəlsi rijitliği, α akma sonrası sərtlik nisbətinı, x üfüqi yerdəyişməyi, Fy akma kuvvətini və z histeretik iç değişkeni göstərir. İlk terim kauçuk tabakaların elastik katkısını, ikinci terim ise kurşun çekirdeğin akmasıyla oluşan çevrimsel enerji tüketimini temsil eder.
Histeretik değişkenin gelişimi aşağıdaki Bouc–Wen ilişkisiyle tanımlanmıştır:
\[ \dot{z} = \frac{1}{x_y}\left[A\dot{x}-\beta|\dot{x}|\,|z|^{n-1}z-\gamma\dot{x}|z|^n\right] \]
xy akma yerdəyişməsini; A, β, γ və n ise histerezis döngüsünün biçimini, geçiş keskinliğini və yükleme–boşaltma davranışını belirleyen model parametrelerini ifade eder. Tənlik, kuvvətin yalnızca o andaki yerdəyişməye değil, daha əvvəlki yükleme geçmişine de bağlı olduğunu göstərir.
Gaz yayları neden doğrusal olmayan bir kuvvət üretmektedir?
Gaz yaylarının üçündeki gaz sıkıştırıldığında hacim küçülür və basınç yükselir. Küçük bir başlangıç hareketinde hacim değişiminin etkisi sınırlıyken piston strokunun sonuna yaklaşıldıkça aynı miktardaki ek hareket, kalan gaz hacminin daha böyük bir bölümünü etkilər. Bu nedenle kuvvət, yerdəyişməyle doğrusal biçimde değil giderek hızlanan bir eğriyle artar.
Simetrik gaz yayı grubunun geri qaytarıcı qüvvə politropik gaz müddətci kabulü altında şu şəkilde modellenmiştir:
\[ F_g = P_{g0}A_gV_0^{n_g}\frac{(V_0+A_gx)^{n_g}-(V_0-A_gx)^{n_g}}{(V_0^2-A_g^2x^2)^{n_g}} \]
Bu denklemde Pg0 başlangıç gaz basıncı, Ag etkin piston alanı, V0 başlangıç gaz hacmi və ng politropik üs dəyəridir. Başlangıç basıncının və ya piston alanının artırılması geri qaytarıcı qüvvəni yükseltirken başlangıç gaz hacminin büyütülmesi, aynı yerdəyişmədeki göreli hacim değişimini və dolayısıyla kuvvət artışını azaltır.
Kurşun çekirdekli mesnet və gaz yayları paralel olduğu üçün toplam üfüqi kuvvət iki katkının toplamıdır:
\[ F_h = F_g + \alpha K_0x + (1-\alpha)F_yz \]
Bu ilişki NSC-3DIB sisteminin temel davranışını özetlemektedir. Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet çevrimsel enerjiyi tüketirken gaz yayları özellikle böyük deplasmanlarda artan bir geri qaytarıcı qüvvə sağlar. Kuvvət–yerdəyişmə eğrilərindeki geniş histerezis alanı enerji tüketimini, eğrinin uçlara doğru yukarı kıvrılması ise gaz yaylarının sertleşen davranışını göstərir.
Düşey izolasyon nasıl sağlanmaktadır?
Düşey sistemde vintvari yaylar ilə hava sönümləyiciləri paralel tədqiqatktadır. Helisel yayların geri qaytarıcı qüvvə doğrusal kimi modellenmiştir:
\[ F_s = k_sy \]
Burada ks vintvari yayların toplam şaquli rijitliği, y şaquli yerdəyişmədir. Rijitliğin azaltılması şaquli doğal titreşim periyodunu uzatır. Böylece zemindeki hızlı şaquli ivme değişimlerinin çatıya və asılı ekipmana birbaşa aktarılması azaltılmaya çalışılır.
Hava sönümleyiciləri değiştirilmiş Maxwell modeliyle temsil edilmiştir. Tədqiqatda istifadə olunan ekvivalent sərtlik və sönüm katsayısı ilişkiləri şöyledir:
\[ k_a = 1{,}102\frac{\gamma p_0 A_p}{h_p} \]
\[ c = 1{,}135\frac{\alpha_0 A_p^2}{1+3\varepsilon^2/2} \]
γ havanın özgül ısı nisbətinı, p0 atmosfer basıncını, Ap piston alanını, hp hava haznesi yüksəkliğini, α0 sönüm parametresini və ε eksantriklik nisbətinı göstərir. Hava sönümleyicisinin ekvivalent rijitliği vintvari yay rijitliğine göre kiçik kabul edildiği üçün şaquli sərtlik tasarımında ihmal edilmiş, ağırlıklı kimi sönüm elemanı şeklinde istifadə edilmişdir.
Düşey mesnet kuvvəti bu kabulle aşağıdaki yay–sönümleyici ilişkisine indirgenmiştir:
\[ F_z = k_sy + c\dot{y} \]
İlk terim şaquli konuma bağlı elastik kuvvəti, ikinci terim ise şaquli hıza bağlı sönüm kuvvətini ifade eder. Sistem böylece şaquli hareketi yalnızca yaylarla taşımak yerine hareket zamanı enerjinin bir bölümünü hava akış direnci yoluyla tüketmektedir.
Yapı hedefleri tək tək mesnetlere nasıl aktarılmıştır?
Araştırmanın əhəmiyyətli katkılarından biri, tüm valf holü üçün belirlenen izolasyon hedeflerini her kolon altındaki mesnet komponentlərinin fiziksel parametrelerine dönüştüren aşamalı tasarım üsulidir. Şəkil 3’te vərilən iş akışı üç kademeden oluşmaktadır: konstruksiya və tasarım hedeflerinin belirlenmesi, parametrelerin kolon tepkilərine göre tək tək mesnetlere dağıtılması və kurşun çekirdekli mesnet, gaz yayı, vintvari yay ilə hava sönümləyicisinin geometrik boyutlarının hesaplanması.
İzolasyon katmanı üzerindeki toplam konstruksiya kütlesi M, hedef başlangıç üfüqi periyodu Th,0, hedef şaquli periyot Tv və hedef şaquli sönüm nisbəti ξv bilindiğinde toplam sistem parametreleri şu ilişkilərle hesaplanmaktadır:
\[ K_{h,0}=\frac{4\pi^2M}{T_{h,0}^2} \]
\[ K_v=\frac{4\pi^2M}{T_v^2} \]
\[ \omega_v=\frac{2\pi}{T_v} \]
\[ C_v=2\xi_vM\omega_v \]
Kh,0 toplam başlangıç üfüqi rijitliğini, Kv toplam şaquli rijitliği, ωv şaquli açısal frekansı və Cv toplam şaquli sönüm katsayısını göstərir.
Kolon yükleri bərabər olmadığı üçün bütün mesnetlere aynı sərtlik və sönüm dəyərinin vərilmesi uygun görülmemiştir. Her mesnet üçün kolon tabanı şaquli tepkisine bağlı bir dağıtım katsayısı istifadə edilmişdir:
\[ \lambda_i=\frac{N_i}{\sum_{i=1}^{N}N_i} \]
\[ k_{h,0,i}=\lambda_iK_{h,0},\qquad k_{v,i}=\lambda_iK_v,\qquad c_i=\lambda_iC_v \]
Ni, ilgili kolon altında taşınan şaquli yükü; λi ise o mesnedin toplam sistem üçündeki payını ifade etmektedir. Bu yaklaşım sayesinde daha fazla şaquli yük taşıyan kolonların altındaki mesnetlere daha yüksək sərtlik və sönüm kapasitesi atanmıştır.
Yatay sərtlik gaz yayları ilə kauçuk mesnet arasında nasıl bölüştürülmüştür?
Gaz yayı grubunun başlangıç rijitliğinin kurşun çekirdekli mesnedin akma sonrası rijitliğine nisbəti ηk ilə tanımlanmıştır. Buna göre:
\[ k_{l2,i}=\frac{k_{h,0,i}}{1+\eta_k} \]
\[ k_{g0,i}=\eta_k k_{l2,i} \]
kl2,i kurşun çekirdekli kauçuk mesnedin akma sonrası rijitliğini, kg0,i ise gaz yayı grubunun başlangıç rijitliğini göstərir. Tasarım yerdəyişməsi xm düzeyinde gaz yayı kuvvətinin kurşun çekirdekli mesnet kuvvətine nisbəti həmçinin ηf ilə tanımlanmıştır:
\[ F_{g,i}(x_m)=\eta_fF_{L,i}(x_m) \]
Gaz yayının başlangıç rijitliği ise gaz basıncı və geometrisiyle şu şəkilde ilişkiləndirilmiştir:
\[ k_{g0,i}=\frac{2n_gP_{g0,i}A_g^2}{V_0} \]
Bu bağıntılar başlangıç gaz basıncı, piston alanı və gaz hacminin geriye doğru hesaplanmasına olanak vərmektedir. Hesaplanan mesnedin tasarım deplasmanındaki ekvivalent üfüqi rijitliği və periyodu hedefi qarşılamıyorsa kuvvət nisbəti və ya gaz yayı boyutları değiştirilərek işlem təkrarlanmaktadır.
Yatay alt sistem nasıl təcrübəsel kimi sınanmıştır?
Araştırmacılar qurğuşun nüvəli rezin dayaq, iki tarafta simetrik gaz yayları, ünivərsal bağlantılar, çelik plakalar və hareket sınırlayıcılarından oluşan bir üfüqi izolasyon numunesi üretmiştir. Numuneye əvvəl işletme durumunu temsil eden sabit bir şaquli basınç uygulanmış, ardından yerdəyişmə kontrollü tersinir üfüqi çevrimler vərilmiştir. Yatay kuvvət və deplasman eş zamanlı ölçülerek histerezis eğriləri elde edilmiştir.
Deney düzeninde gaz yayları ünivərsal mafsallarla bağlanmıştır. Bu bağlantıların amacı kiçik dönmeleri və montaj toleranslarını qarşılamak, gaz yayı gövdelerinde istenmeyen eğilme momentlerini azaltmak və elemanların mümkün olduğunca eksenel kuvvət taşımasını sağlamaktır. Şəkil 4 təcrübə makinesini, numune komponentlərini və çevrimsel yükleme protokolünü; Şəkil 5 ise sağa və sola hareket zamanı bir gaz yayının sıkışırken qarşı taraftakinin uzadığını göstərir.
Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet numunesinin etkin çapı 250 mm, kurşun çekirdek çapı 42 mm və toplam yüksəkliği 190 mm’dir. Mesnette 17 adet 3,5 mm kauçuk tabaka və 16 adet 2,5 mm çelik plaka istifadə edilmişdir. Akma əvvəlsi sərtlik 3125 kN/m, akma sonrası sərtlik 312,5 kN/m və akma yerdəyişməsi 4 mm kimi vərilmiştir. Gaz yayları üçün 63, 80 və 100 mm silindir çapları denenmiş; başlangıç basıncı və tədqiqat uzunluğu değiştirilmiştir.
Gaz basıncı və silindir çapı kuvvəti nasıl değiştirmiştir?
Şəkil 6’daki histerezis eğrilərinin temel mesajı, başlangıç gaz basıncı yükseldikçe eğrilərin dışa doğru genişlemesi və böyük deplasmanlardaki yukarı kıvrılmanın belirginleşmesidir. Başlangıç basıncı 0,1 MPa’dan 0,5 MPa’ya çıkarıldığında 63 mm silindirli düzeneğin tepe geri qaytarıcı qüvvə 32,55 kN’dan 45,41 kN’a yüksəlmişdir. Bu değişim %39,5 artışa qarşılık gelmektedir.
Başlangıç basıncının 0,5 MPa olduğu durumda 80 mm çaplı silindirin tepe kuvvəti 54,78 kN, 100 mm çaplı silindirin tepe kuvvəti ise 69,07 kN kimi ölçülmüşdür. Bu dəyərler 63 mm silindirli düzeneğe göre sırasıyla %20,6 və %52,1 daha yüksəktir. Sonuçlar yalnızca basıncın değil, etkin piston alanının da böyük deplasmandaki geri qaytarıcı qüvvəni belirlediğini göstərir.
Gaz yayı tədqiqat uzunluğu neden əhəmiyyətlidir?
Şəkil 7’de gaz yayı tədqiqat uzunluğu 60, 70 və 80 mm arasında değiştirilmiştir. Tədqiqat uzunluğu arttıkça başlangıç gaz hacmi büyümüş və aynı üfüqi deplasmanda meydana gelen göreli hacim değişimi küçülmüştür. Bunun sonucunda hem başlangıç rijitliği hem de böyük deplasmandaki geri qaytarıcı qüvvə azalmıştır.
Daha kısa tədqiqat uzunluğu kiçik bir gaz hacmi oluşturduğu üçün pistonun aynı miktardaki hareketi gazı oransal kimi daha fazla sıkıştırmaktadır. Bu durum daha güçlü bir sertleşme davranışı üretir. Lakin daha yüksək kuvvətin her zaman daha iyi izolasyon anlamına gelmediği unutulmamalıdır; aşırı sərtlik izolasyon periyodunu kısaltabilir və üst konstruksiyaya aktarılan ivmeyi artırabilir.
Teorik model təcrübələrle ne ölçüde uyuşmuştur?
Model doğrulaması, doğrusal olmayan etkinin en belirgin olduğu 60 mm tədqiqat uzunluğu və 0,5 MPa başlangıç basıncı altında, üç fərqlı silindir çapı üçün konstruksiyalmıştır. Şəkil 8’de teorik və təcrübəsel histerezis eğriləri genel biçim, çevrim alanı və böyük deplasmandaki kuvvət artışı bcərəyanından birbirine yakın görünmektedir.
Tepe geri qaytarıcı qüvvəndeki hatalar bütün silindir çaplarında %10’un altında kalmış, en yüksək hata %9,7 kimi bildirilmişdir. Bu doğrulama üfüqi qaz yayı–qurğuşun nüvəli rezin dayaq modelinin sonlu element analizinde kullanılmasını destəklemektedir. Lakin doğrulama yalnızca incelenen numune boyutları, basınçlar, tədqiqat uzunlukları və yarı statik yükleme koşulları üçün geçerlidir; hızlı dinamik yükleme, uzun müddətli çevrimsel yorgunluk, sıcaklık değişimi və tam ölçek etkiləri həmçinin test edilmemiştir.
Valf holünün sonlu element modeli nasıl kurulmuştur?
İncelenen valf holü, ultra yüksək gərginlikli doğru cərəyan ilətim projesindeki tək katlı, geniş açıqlıklı bir endüstri konstruksiyasıdır. Yapının yüksəkliği 31,4 m, plan boyutları 94 m × 35,5 m’dir. Sistem çelik çerçevəler ilə betonarme duvarları birleştiren karma bir taşıyıcı düzene sahiptir.
Boyuna doğrultuda altı dönüştürücü valf grubu yer almaktadır. Her grupta dört tristör valfi və bir parafudr olmak üzere beş askı noktası mövcuddur. Her askı noktası çatı makasının alt başlığına bir askı izolatörüyle bağlanmış və 30 kN yoğunlaştırılmış yük taşımaktadır. Bu esnek askı biçimi, valflerin ana konstruksiyadan daha aşağı frekansta salınmasına olanak vərmektedir.
ABAQUS modelinde çelik çerçevə kirişleri və kolonları, çatı makası elemanları ilə betonarme çerçevə elemanları B31 kiriş elemanlarıyla; perde duvarlar S4R kabuk elemanlarıyla modellenmiştir. Dönüştürücü valfler kabuk, askı izolatörleri ise kiriş elemanlarıyla temsil edilmiştir. Yapısal sönüm üçün Rayleigh sönüm modeli istifadə edilmişdir.
İzolasyonsuz konstruksiyanın temel üfüqi frekansı 1,51 Hz, şaquli frekansı 2,92 Hz kimi hesaplanmıştır. Bunlar yaklaşık 0,66 saniyelik üfüqi və 0,34 saniyelik şaquli periyotlara qarşılık gelmektedir. Asılı dönüştürücü klapanların temel frekansı ise 0,39 Hz’dir. Bu aşağı frekans, valflerin ana konstruksiyaya göre çok daha esnek və uzun periyotlu hareket ettiğini göstərir.
İzolasyon sistemi konstruksiya modeline nasıl yerleştirilmiştir?
Her kolon tabanına bir tane olmak üzere toplam 51 NSC-3DIB yerleştirilmiştir. Önce izolasyonsuz modelin statik analizi konstruksiyalarak her kolonun taban tepkisi hesaplanmış, daha sonra toplam sərtlik və sönüm dəyərleri bu tepkilər nisbətinda tək tək mesnetlere dağıtılmıştır. Şəkil 10’da mesnetlerin plan üzerindeki konumları və kolon aksları gösterilmektedir.
Tasarımda başlangıç üfüqi izolasyon periyodu 2,0 saniye, şaquli izolasyon periyodu 0,6 saniye, üfüqi tasarım yerdəyişməsi 100 mm, şaquli tasarım yerdəyişməsi 20 mm və hedef şaquli sönüm nisbəti 0,15 kimi seçilmiştir. Başlangıç sərtlik nisbəti ηk 0,5, tasarım deplasmanındaki gaz yayı/kurşun çekirdekli mesnet kuvvət nisbəti ηf ise 0,7’dir.
Örnek kimi A/1 aksındaki 209,6 kN şaquli tepki taşıyan mesnet üçün şaquli sərtlik 3093,1 kN/m, şaquli sönüm katsayısı 88,61 kN·s/m kimi hesaplanmıştır. Bu mesnette kurşun çekirdekli kauçuk elemanın dış çapı 280 mm, kurşun çekirdek çapı 44 mm, akma kuvvəti 14,85 kN və akma yerdəyişməsi 8 mm’dir. Gaz yayı başlangıç basıncı 0,3 MPa, tək gaz yayı çapı 147 mm və tədqiqat uzunluğu 141 mm kimi vərilmiştir.
ABAQUS içerisinde gaz yayı və qurğuşun nüvəli rezin dayaq üfüqi doğrultuda paralel çalışan iki ayrı CONN3D2 bağlantı elemanıyla tanımlanmıştır. Gaz yayı üçün doğrusal olmayan elastik, kurşun çekirdekli mesnet üçün elastik-plastik bağlantı davranışı istifadə edilmişdir. Düşey yönde ise vintvari yay rijitliği ilə hava sönümləyicisinin sönüm özelliği tək bir bağlantı sistemi üçünde temsil edilmiştir.
Deprem hareketleri nasıl seçilmiştir?
Zaman tanım alanı analizlerinde PEER NGA-West2 vəri tabanından seçilən 20 deprem kaydı istifadə edilmişdir. Kayıtların 10’u yakın alan, 10’u uzak alan hareketidir. Moment böyüklükleri 6,50 ilə 7,62 arasında, kırılmaya en yakın mesafeler ise 0,34 km ilə 76,26 km arasında değişmektedir.
Hedef tasarım koşullarında karakteristik periyot 0,4 saniye və tasarım yer ivmesi 0,2 g kimi alınmıştır. Deprem hareketinin üç komponenti modele X:Y:Z = 1:0,85:0,65 nisbətinda tətbiq edilmişdir. Boyuna X doğrultusu ana giriş yönü kabul edilmiştir.
Yatay tepkilər çelik kolon tepesinde, perde duvar tepesinde, çatı makası alt başlığının orta açıqlığında və dönüştürücü valfin alt kısmında incelenmiştir. Düşey tepkilər çatı makası orta açıqlığı ilə valfin alt kısmında dəyərlendirilmiştir. Her noktada tepe və karekök ortalama kare dəyərleri kullanılarak ivme və yerdəyişmə qarşılaştırmaları konstruksiyalmıştır.
Yatay izolasyon nəticələrı ne göstərir?
NSC-3DIB bütün dəyərlendirme noktalarında hem üfüqi ivmeyi hem de üfüqi yerdəyişməyi azaltmışdır. X və Y doğrultularındaki nəticələr birlikdə dəyərlendirildiğinde üfüqi ivme izolasyon oranları %31,8 ilə %75,4, üfüqi yerdəyişmə izolasyon oranları ise %20,1 ilə %65,1 arasında değişmiştir.
İvme azalması genel kimi yerdəyişmə azalmasından daha yüksək bulunmuştur. Bu durum izolasyon sisteminin üst konstruksiyaya aktarılan ani hareketi etkili biçimde süzdüğünü, fakat izolasyon katmanının hareket edebilmesi üçün belirli bir deplasmana izin vərmesi gerektiğini göstərir. Başka bir ifadeyle sistem, zemindeki hareketi tamamen ortadan kaldırmamakta; hareketin bir bölümünü mesnet seviyesinde kontrollü bir deplasmana dönüştürmektedir.
Şəkil 14 və Şəkil 15’təki kutu qrafikler uzak alan kayıtlarında izolasyon oranlarının çoğunlukla yakın alan kayıtlarından daha yüksək olduğunu göstərir. Araştırmacılar bu fərqı uzak alan hareketlerinin daha düzgün spektral içeriğiyle ilişkiləndirmektedir. Bazı yakın alan hareketlerindeki hız darbeleri və yoğun aşağı frekans içeriği, izolasyon katmanında daha böyük deplasman oluşturarak doğrusal olmayan gaz yaylarını daha yüksək sərtlik bölgesine taşıyabilir.
Y doğrultusundaki performans X doğrultusuna göre bir miktar daha aşağı bulunmuştur. Yazarlar bu sonucu konstruksiyanın Y doğrultusundaki plan asimetrisi, düzensiz kütle–sərtlik dağılımı və yerel titreşim fərqlılıklarıyla ilişkiləndirmektedir. Lakin tədqiqat bu açıqlamayı ayrı bir burulma analiziyle birbaşa sınamamıştır; dolayısıyla bu mexanizm yazarların ədədi nəticələra dayalı yorumudur.
Düşey izolasyon nəticələrı ne göstərir?
Düşey kontrol üfüqi kontrol kadar yüksək olmasa da çatı sistemi və askılı valflerde anlamlı tepki azalmaları elde edilmiştir. Düşey ivme izolasyon oranları %24,6–%50,1, şaquli yerdəyişmə izolasyon oranları %15,2–%39,9 aralığındadır.
Şəkil 16’da valfin alt kısmındaki şaquli tepki azalmasının çatı makası orta açıqlığındakinden genel kimi daha yüksək olduğu görülmektedir. Araştırmacılara göre çatı makası orta açıqlığı, çatının uzaysal davranışı, askı izolatörlerinin bağlantısı və yerel eleman titreşimlerinden birlikdə etkilənmektedir. Valfin alt kısmı ise askı sisteminin toplam hareketini daha birbaşa yansıtmaktadır.
Bu nəticələr şaquli sistemin zəlzələ hərəkətini bütünüyle kesmediğini, lakin aşağı şaquli sərtlik ilə hava sönümünü birleştirerek çatıdan asılı ekipmana aktarılan hareketi azalttığını göstərir. Düşey izolasyonun performansı, vintvari yayların taşıma kapasitesi və strok sınırı kadar hava sönümləyicilərinin geometrisine de bağlıdır.
Deprem şiddeti arttığında performans neden düşmektedir?
El Centro Array #9, Pacoima Dam, Taft Lincoln School və Ferndale City Hall kayıtları fərqlı tepe yer ivmesi seviyelerine ölçeklenerek duyarlılık analizi konstruksiyalmıştır. Tepe yer ivmesi 0,2 g’den 0,4 g’ye yükseldiğinde üfüqi izolasyon oranları istifadə olunan tepki ölçütüne və deprem kaydına bağlı kimi 9,2–20,3 yüzde puan azalmıştır.
Daha güçlü zəlzələ hərəkəti izolasyon katmanında daha böyük deplasman üretir. Bu deplasman gaz yaylarını qüvvə–yerdəyişmə eğrisinin sertleşen bölgesine taşır. Eşdəyər üfüqi sərtlik yükseldiğinde izolasyon periyodu kısalır və periyot uzatmanın sağladığı ivme azaltma avantajı zayıflar. Bu davranış, gaz yayının təhlükəsiz geri qaytarıcı qüvvə ilə aşağı izolasyon rijitliği arasında bir tasarım dengesi kurulması gerektiğini göstərir.
Geri çağırma kuvvəti nisbətinın artırılması her zaman yararlı mıdır?
Hayır. Gaz yayı kuvvətinin qurğuşun nüvəli rezin dayaq kuvvətine nisbəti olan ηf, 0,7’den 1,1’e çıkarıldığında dört deprem kaydının tamamında üfüqi izolasyon oranları azalmışdır. Azalma 3,3–8,0 yüzde puan aralığındadır.
Daha yüksək ηf, böyük deplasmanda daha güçlü geri qaytarıcı qüvvə sağladığı üçün başlangıç konumuna dönme eğilimini artırabilir. Fakat aynı zamanda ekvivalent üfüqi rijitliği yükseltir və izolasyon periyodunu kısaltır. Bu nedenle en yüksək kendini merkezleme kuvvəti ilə en yüksək izolasyon vərimi aynı parametre noktasında elde edilmemektedir.
Tədqiqatnın temel tasarım sonucu, ηf dəyərinin yalnızca maksimum kuvvəte göre seçilmemesi gerektiğidir. Tasarım üfüqi deplasmanı, hedef periyot, mesnet stroku, üst konstruksiya ivmesi və deprem sonrası geri dönme ihtiyacı birlikdə dəyərlendirilmelidir.
Hava sönümleyicisi piston çapı şaquli performansı nasıl etkiləmiştir?
Hava sönümleyicisinin silindir çapı 200,2 mm kimi sabit tutulurken piston çapı 199,4 mm’den 200,0 mm’ye çıkarılmıştır. Piston çapı büyüdükçe piston ilə silindir arasındaki halka biçimli akış boşluğu küçülmüş, gaz akış direnci və ekvivalent sönüm artmıştır.
Şəkil 19’daki eğrilər bütün incelenen deprem kayıtlarında piston çapı arttıkça şaquli ivme və yerdəyişmə izolasyon oranlarının yükseldiğini göstərir. Toplam iyiləşme 5,6–8,1 yüzde puan aralığındadır.
Bununla belə çok kiçik bir tədqiqat boşluğu üretim toleranslarını kritik hâle getirebilir, sürtünme və ya sıkışma riskini artırabilir və istenen strokun gerçekleşmesini engelleyebilir. Araştırmacılar bu nedenle piston çapının yalnızca ədədi izolasyon nisbətina göre değil, üretiləbilirlik, hareket serbestliği, sönüm kuvvəti, şaquli tasarım deplasmanı və sınırlayıcı təhlükəsizlik payıyla birlikdə seçilmesini önermektedir.
Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr
- Gaz yaylarının başlangıç basıncı və piston alanı, üfüqi geri qaytarıcı qüvvəni belirgin biçimde değiştirmektedir.
- Gaz yayının tədqiqat uzunluğu arttığında başlangıç rijitliği və böyük deplasman kuvvəti azalmaktadır.
- Gaz yayı–qurğuşun nüvəli rezin dayaq modeli, incelenen yarı statik təcrübələrde en fazla %9,7 tepe kuvvəti hatasıyla təcrübəsel eğriləri temsil etmiştir.
- Sonlu eleman modeli üçünde NSC-3DIB, ana konstruksiya, çatı və askılı valflerin üfüqi və şaquli deprem tepkilərini azaltmışdır.
- Artan deprem şiddeti və artan gaz yayı kuvvət nisbəti üfüqi izolasyon vərimini düşürmüştür.
- Hava sönümleyicisindeki akış boşluğunun azaltılması, ədədi modelde şaquli izolasyon performansını iyiləştirmiştir.
Tədqiqatın sübut etmədiyi nəticələr
- Tədqiqat, tam ölçekli NSC-3DIB mesnedinin gerçek bir valf holünde deprem altında başarıyla çalıştığını göstermemektedir.
- Deprem sonrası artık yerdəyişmə birbaşa hesaplanmadığı və ya təcrübəsel kimi ölçülmediği üçün tam kendini merkezleme performansı doğrulanmamışdır.
- Düşey vintvari yay–hava sönümləyicisi alt sistemi bu tədqiqat kapsamında fiziksel kimi sınanmamıştır.
- Mesnetlerin uzun dönem yorulma, yaşlanma, sıcaklık değişimi, gaz kaçağı, bcərəyan və arıza davranışı dəyərlendirilmemiştir.
- Toprak–konstruksiya etkiləşimi modele dâhil edilmemiştir.
- Tek bir valf holü geometrisine dayalı nəticələr bütün dönüştürücü istasyonlarına birbaşa genellenemez.
- Preprint nəticələrı hakemli bilimsel uzlaşı və ya uygulanmaya hazır tasarım standardı niteliğinde değildir.
Güclü tərəflər və gələcəkdəki önem
Tədqiqatnın güçlü yönü, cihaz fikrini yalnızca kavramsal bir çizim kimi bırakmamasıdır. Araştırmacılar mekanik denklemleri kurmuş, konstruksiya hedeflerini tək tək mesnet parametrelerine dönüştüren bir tasarım akışı geliştirmiş, üfüqi alt sistem numunesini üretmiş, modeli təcrübəsel eğrilərle qarşılaştırmış və ardından bütün valf holü üçün üç komponentli deprem analizleri yapmıştır.
Önerilən yaklaşım özellikle enerji ilətim altkonstruksiyasında yalnızca binanın ayakta kalmasına değil, binaya bağlı hassas elektrik ekipmanının işlevini sürdürmesine odaklanmaktadır. Güç ilətim tesislerinde deprem sonrası hızlı toparlanma, konstruksiyasal hasarın önlenmesi kadar askılı valfler, izolatörler və bağlantı elemanlarının korunmasına da bağlıdır.
Gelecektəki tədqiqatların tam ölçekli üçölçülü mesnet təcrübələrini, sarsma tablası doğrulamasını, artık deplasman ölçümlerini, çevrimsel dayanıklılığı, gaz sızdırmazlığını, sıcaklık etkilərini, şaquli-üfüqi etkiləşimi, burulma davranışını və toprak–konstruksiya etkiləşimini kapsaması lazımdır. Bu doğrulamalar tamamlanmadan sistemin saha performansı kesinleşmiş kabul edilmemelidir.
Tədqiqatın üsulu və nəticələri
Araştırma tasarımının təknik özeti
| Aşama | Uygulanan üsul | Temel amaç |
|---|---|---|
| Mekanik modelleme | Yatay sistem üçün Bouc–Wen modeli və politropik gaz yayı ilişkisi; şaquli sistem üçün paralel vintvari yay–hava sönümləyicisi modeli | Mesnet qüvvə–yerdəyişmə və kuvvət–hız davranışını tanımlamak |
| Parametre tasarımı | Hedef üfüqi/şaquli periyot, tasarım deplasmanı və sönüm nisbətinın kolon tepkilərine göre 51 mesnede dağıtılması | Yapı düzeyindeki hedefleri komponent geometrisine dönüştürmek |
| Yatay komponent təcrübəi | Sabit şaquli yük altında yerdəyişmə kontrollü tersinir yarı statik basma–kesme təcrübəi | Gaz basıncı, silindir çapı və tədqiqat uzunluğunun etkisini belirlemek |
| Model doğrulaması | Teorik və təcrübəsel histerezis eğrilərinin qarşılaştırılması | Yatay modelin sonlu element analizinde kullanılabilirliğini dəyərlendirmek |
| Yapı analizi | ABAQUS sonlu element modeli və 20 üç komponentli deprem kaydı | İzolasyonlu və izolasyonsuz valf holü tepkilərini qarşılaştırmak |
| Duyarlılık analizi | PGA, üfüqi geri qaytarıcı qüvvə nisbəti və hava sönümləyicisi piston çapının değiştirilmesi | Performansı en fazla etkiləyen tasarım değişkenlerini belirlemek |
Deney numunesinin temel parametreleri
| Biləşen | Ölçülen və ya tanımlanan parametre | Değer |
|---|---|---|
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Etkin çap | 250 mm |
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Kurşun çekirdek çapı | 42 mm |
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Toplam yüksəklik | 190 mm |
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Kauçuk tabakalar | 17 × 3,5 mm |
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Çelik plakalar | 16 × 2,5 mm |
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Akma əvvəlsi sərtlik | 3125 kN/m |
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Akma sonrası sərtlik | 312,5 kN/m |
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Akma yerdəyişməsi | 4 mm |
| Gaz yayları | Silindir çapları | 63, 80 və 100 mm |
| Gaz yayları | Toplam tədqiqat uzunluğu | 200 mm |
| Değiştirilən təcrübə koşulları | Başlangıç gaz basıncı | 0,1–0,5 MPa |
| Değiştirilən təcrübə koşulları | Etkin tədqiqat uzunluğu | 60, 70 və 80 mm |
Valf holü və analiz parametreleri
| Parametre | Değer və ya tətbiq |
|---|---|
| Yapı boyutları | 94 m × 35,5 m plan; 31,4 m yüksəklik |
| Dönüştürücü valf grubu | 6 grup |
| Her gruptaki askı noktası | 4 tristör valfi və 1 parafudr üçün toplam 5 nokta |
| Her askı noktasındaki yük | 30 kN |
| Mesnet sayısı | 51 NSC-3DIB |
| Başlangıç üfüqi izolasyon periyodu | 2,0 s |
| Düşey izolasyon periyodu | 0,6 s |
| Yatay tasarım deplasmanı | 100 mm |
| Düşey tasarım deplasmanı | 20 mm |
| Hedef şaquli sönüm nisbəti | 0,15 |
| Başlangıç sərtlik nisbəti | ηk = 0,5 |
| Geri çağırma kuvvəti nisbəti | ηf = 0,7 |
| Deprem kayıtları | 10 yakın alan və 10 uzak alan olmak üzere 20 kayıt |
| Üç komponentli giriş nisbəti | X:Y:Z = 1:0,85:0,65 |
| Tasarım yer ivmesi | 0,2 g |
Ana təcrübəsel və ədədi bulgular
| İncelenen değişken və ya tepki | Karşılaştırma | Bildirilən nəticə | Bilimsel yorum |
|---|---|---|---|
| 63 mm gaz yayı tepe kuvvəti | 0,1 MPa ilə 0,5 MPa başlangıç basıncı | 32,55 kN’dan 45,41 kN’a; %39,5 artış | Başlangıç basıncı geri qaytarıcı qüvvəni belirgin biçimde yükseltmiştir. |
| Silindir çapı etkisi | 0,5 MPa altında 63, 80 və 100 mm | 80 mm: 54,78 kN; 100 mm: 69,07 kN | Daha böyük piston alanı daha yüksək böyük-deplasman kuvvəti sağlamıştır. |
| Teorik model doğruluğu | Deneysel və teorik tepe kuvvətleri | En yüksək hata %9,7 | Yatay model incelenen təcrübə koşullarında kabul ediləbilir uyum göstərmişdir. |
| Yatay ivme | İzolasyonlu və izolasyonsuz konstruksiya | %31,8–%75,4 azalma | En güçlü izolasyon etkisi genel kimi üfüqi ivmelerde elde edilmiştir. |
| Yatay yerdəyişmə | İzolasyonlu və izolasyonsuz konstruksiya | %20,1–%65,1 azalma | Üst konstruksiya deplasmanları azalırken hareketin bir bölümü izolasyon katmanında qarşılanmıştır. |
| Düşey ivme | İzolasyonlu və izolasyonsuz çatı/valf | %24,6–%50,1 azalma | Helisel yay və hava sönümləyicisi şaquli hareket aktarımını azaltmışdır. |
| Düşey yerdəyişmə | İzolasyonlu və izolasyonsuz çatı/valf | %15,2–%39,9 azalma | Düşey deplasman kontrolü ivme kontrolünden daha sınırlı kalmıştır. |
| PGA duyarlılığı | 0,2 g’den 0,4 g’ye artış | Yatay izolasyon nisbətinda 9,2–20,3 yüzde puan düşüş | Büyük deplasmanlarda gaz yaylarının sertleşmesi izolasyon periyodunu kısaltmıştır. |
| ηf duyarlılığı | 0,7’den 1,1’e artış | Yatay izolasyon nisbətinda 3,3–8,0 yüzde puan düşüş | Daha güçlü geri qaytarıcı qüvvə ilə daha yüksək izolasyon vərimi arasında ödünleşim oluşmuştur. |
| Hava sönümleyicisi piston çapı | 199,4 mm’den 200,0 mm’ye artış | Düşey izolasyon nisbətinda 5,6–8,1 yüzde puan artış | Daha dar halka boşluğu gaz akış direncini və ekvivalent sönümü artırmışdır. |
Yöntemsel varsayımlar və məhdudiyyətlar
- Mesnedin üfüqi və şaquli davranışlarının yaklaşık kimi birbirinden müstəqil olduğu kabul edilmiştir.
- Gaz yaylarının esas kimi eksenel yük taşıdığı, bağlantı dönmesi və ikincil eğilme etkilərinin ihmal ediləbiləceği varsayılmıştır.
- Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet davranışı Bouc–Wen modeliyle idealize edilmiştir.
- Düşey deformasyonun esas kimi vintvari yaylarda, enerji tüketiminin ise hava sönümləyicilərinde oluştuğu kabul edilmiştir.
- Hava sönümleyicisinin ekvivalent rijitliği şaquli tasarımda ihmal edilmiştir.
- Toprak–konstruksiya etkiləşimi hesaba katılmamıştır.
- Yatay alt sistem yarı statik kimi sınanmış; tam üçölçülü mesnet və şaquli alt sistem təcrübəsel kimi doğrulanmamışdır.
- Artık yerdəyişmə və deprem sonrası gerçek yeniden merkezlenme miktarı birbaşa raporlanmamıştır.
- Sonuçlar tək bir valf holü modeli və seçilən deprem kayıtları üçün elde edilmiştir.
Mənbə və üsul qeydi
Tədqiqatnın tam özgün adı:Design and Seismic Response Control of a Nonlinear Self-Centering Three-Dimensional Isolation Bearing for Convərter Valvə Hall Structures
Yazarlar və sıralamaları: Kunjie Rong, Junrong Gong və Li Tian.
Yazar kurumları:
- Kunjie Rong: School of Energy Power and Engineering, North China Electric Power Univərsity; School of Civil Engineering, Shandong Univərsity; Hebei Key Laboratory of Electric Machinery Health Maintenance and Failure Prevəntion; Yanzhao Electric Power Laboratory.
- Junrong Gong: School of Civil Engineering, Shandong Univərsity.
- Li Tian: School of Civil Engineering, Shandong Univərsity.
Eş birinci yazarlık: Metinde eş birinci yazarlık və ya eş katkı beyanı yer almır.
Sorumlu yazar: Li Tian. Tədqiqatda sorumlu yazar e-posta adresi tianli@sdu.edu.cn kimi vərilmiştir.
DOI: 10.2139/ssrn.7196888. DOI bilgisi tədqiqatnın metin bölümünde gösterilmemiş, resmî SSRN kaydı üzerinden doğrulanmıştır.
Dergi: Tədqiqatnın hakemli bir dergide yayımlandığı və ya kabul edildiği doğrulanmamışdır.
Yayın platformu və özgün yayıncı: SSRN, Elsevier bünyesindeki preprint platformu.
Yayın yılı: 2026.
Kaynak türü: Deneysel üfüqi komponent tədqiqatsı ilə sonlu element simülasyonunu birleştiren preprint tədqiqat tədqiqatsı.
Hakemlik durumu: Bu tədqiqat hakem dəyərlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir; nəticələrı bu məhdudiyyət dikkate alınarak okunmalıdır.
Resmî kaynak bağlantısı: https://ssrn.com/abstract=7196888
Bu Türkçe makale, yüklenen tədqiqatnın metni, denklemleri, tabloları, təcrübə görselleri, mekanik şemaları, histerezis eğriləri, sonlu element modeli, deprem tepki qrafikleri və duyarlılık analizleri incelenerek hazırlanmıştır. Yazar, DOI, platform və yayın durumu dışındaki bilimsel içerik yüklenen tədqiqat ilə sınırlandırılmış; dış kaynaklardan yeni bilimsel bulgu eklenmemiştir.
Tədqiqatnın en əhəmiyyətli üsulsel sınırı, yalnızca üfüqi qaz yayı–qurğuşun nüvəli rezin dayaq alt sisteminin fiziksel kimi sınanmış olmasıdır. Düşey alt sistem, tam üçölçülü mesnet, bütün valf holü və gerçek deprem sonrası kendini merkezleme davranışı təcrübəsel kimi doğrulanmamışdır. Yapı düzeyindeki izolasyon oranları sonlu element simülasyonuna dayanmaktadır. Bu tədqiqat saha tətbiqsı, uzun dönem dayanıklılık və ya gerçek deprem performansı kanıtı sunmamaktadır.
Şərh yazın
E-poçt ünvanınız yayımlanmayacaq. Məcburi sahələr * ilə işarələnib