PRACTICAL EXPERIENCES IN VIBRATION By S. Ziaei Rad FAMOUS EXAMPLES OF VIBRATION Perhaps the most infamous example in the engineering community of ‘bad’ vibrations occurred during the two days preceding the Catastrophic failure of the Tacoma Narrows Bridge in Tacoma, WA in 1940 Tacoma bridge Bad Vibration After a day of large amplitude oscillations back-and-forth, the bridge material eventual gave way due to fatigue similar to how a paper clip fails when it is opened and closed repeatedly. On November 7, 1940, at approximately 11:00 AM, the first Tacoma Narrows suspension bridge collapsed due to wind-induced vibrations. Situated on the Tacoma Narrows in Puget Sound, near the city of Tacoma, Washington, the bridge had only been open for traffic a few months. Tacoma bridge A footpath bridge in London Dampers used in Bridge Tuned mass damper Damper to ground Dampers used in Bridge Viscous Damper Pier- Viscous Damper A footpath bridge in London sideways force A footpath bridge in London Modification There are two fundamental ways to limit dynamic excitation: Stiffen the structure, so the frequency of the bridge and our footsteps no longer match Add damping to absorb the energy. galloping Galloping ) Interphase spacers( Pendulum detuners. These anti-galloping devices are based on the fact that the torsional movement of the bundle interacts dynamically with the vertical motion. Wind energy is injected to the vertical motion through torsional movement. The control of torsion can control the vertical movement. This occurs only when the torsional movement is close to the frequency of the vertical motion, which is valid for bundle conductor lines جاذب ارتعاشی غیر فعال The torsional damper detuner (TDD). The TDD is a new device, which combines the properties of torsional damping with those of detuning. It has some dynamic action able to avoid energy transfer from torsion to vertical motion, the basic mechanism of flutter. The torsional damper detuner (TDD). Fatigue Fatigue of the structure could potentially cause an aircraft, for example, to crash resulting in serious injuries and/or fatalities. The devastating results of a corrosion Vibrations fatigue failure in Aloha Airlines flight #243 are shown in the below Figure. Fatigue This failure occurred because corrosion in the overlapping aluminum fuselage panels near the rivet locations on the skin of the aircraft introduced cracking. As multiple cracks near the rivets joined together to produce a catastrophic failure of the fuselage, the front panel of the fuselage tore away nearly completely and one stewardess was killed. Luckily, the pilots were able to land the plane in spite of the damage to the fuselage. Fatigue failure can often be devastating and is the most common type of failure in mechanical systems. This type of failure is caused partially by vibrations of the structural components. Good vibrations These spiders can actually be observed using vibration to their advantage to locate and restrain prey like the Japanese beatle shown in the figure. The routine that this type of spider follows in order to capture and restrain prey is based entirely on vibration. Ultrasound Expectant mothers are usually examined at least once during the term of their pregnancy using ultrasound to determine if any risks are anticipated for them or their fetus during pregnancy and/or delivery. During the ultrasound procedure, high frequency sound waves (>20 kHz) are sent through a wetting gel into the mother’s womb. These waves are then reflected by different parts of the fetus in slightly different ways. By processing the reflected waves, a two and sometimes even a three-dimensional sonogram image of the fetus can be rendered. Ultrasound Three dimensional ultrasound image of a fetus using propagating high frequency compressional sound/vibration waves Condition Monitoring (Left) ‘Black box’ for monitoring the vibrations of a machine tool lathe in a manufacturing facility; (Right) Unusual vibrations Indicate that a tool needs to be replaced or that a misalignment exists between the tool and the part during the cutting operation. component feeders ultrasonic cleaning baths concrete compactors pile drivers Vibration Strength Training Invention of the first vibrations training device at the end of the 1970‘s Work principle: Increased recruitment and activation of motor-units Producing a cyclic muscle-stretching-reflex Overlapping and continuous contraction of the muscles TVR (tonic-vibration-reflex) Vibration Strength Training vs. Conventional Strength Training Increase of Maximum Force/Power Power Increase [%] Vibration Training Conventional Maximal Force/Power Use of Vibration Strength Training in Space Vibration Strength Training Equipment will be used besides other Training Devices on the Mars Mission Electro-Stimulation [EMS] Electro-Stimulation [EMS] Hand-Arm Vibration Syndrome Prolonged exposure to high level of vibration can cause a series of disorders. Specifically, vibration exposure of Hand-Arm System can cause diseases so-called; Hand-Arm Vibration Syndrome (HAVS). Simple Mass-Spring Absorber Earthquake Earthquakes produce another form of ‘bad’ vibration, which can have devastating effects. It has been said that ‘earthquakes don’t kill people, structures do’ because it is rare that an earthquake will harm someone directly. In most earthquakes, the vibrations of large surrounding structures (e.g., buildings, highway overpasses and houses) are responsible for the majority of injuries and deaths. Earthquake Figure shows representative pictures of the severe type of damage that was sustained by a highway overpass (left) and bridge support member (right) when they oscillated excessively during the Northridge, CA earthquake of 1994. Earthquake Engineers of so-called ‘smart structures’ have been working for decades, and continue to work, to design and build structures that have enough intelligence and power to not only withstand but to respond to earthquakes and other forms of environmental excitations in order to suppress as much of the resulting vibration as possible. In fact, it has been shown that this type of damage due to earthquakes can be largely mitigated by implementing the kinds of design modifications for vibration suppression Earthquake (Left) A friction pendulum bearing and (Right) an elastomeric bearing for isolating civil infrastructure from earthquake Earthquake In that sense, these two isolation system can be thought of as Mechanical ‘filters’, which bypass mechanical energy that would otherwise destroy the isolated structure. In effect, the bearings pictured in Figure, block much of the energy From the seismic oscillations thereby protecting the isolated infrastructure. There are also many examples of passive and active isolation systems for civil infrastructure and smaller scale mechanical systems like rotating machinery. انواع کنترل سيستمها کنترل غيرفعال کنترل فعال کنترل نيمهفعال ميراگرها و جداسازهای غيرفعال لزج اصطکاکی ميراگرتسليم فلزي به کاررفته دربرج دهانه ورودي يک سد کاربردميرايي تسليم فلزي درساختمانها ميراگرهاي جرمي ميزان شده يک درجه آزادی Multi-degree-of freedom tuned mass dampers (MDOF-TMD) نمايي شماتيک ازيک TMDکاربردي وکم حجم، مورداستفاده درساختمانها مدل هاي جديدوکم حجم TMDها، مورداستفاده در برج«تن بوش» درناکازاکي ژاپن ميراگرهاي جرمي ميزان شده يک درجه آزادي فعال (Active tuned mass dampers)ATMD يک ATMDهمان TMDمعمولي است ،با اين تفاوت که به آن يک عملگرفعال به صورت موازي با املان فنري و املان ميرايي داخلي جزء ميراگر ،اضافه شده است .اين عملگر ،نيروي فعال را در مواقع الزم ،اضافه برنيروهاي ناش ي از فنرو دمپربين دو جرم و وارد ميکند. کاربرد ATMDدر ساختمان «کيوباش ي سيوا» در توکيوي ژاپن نماي ATMDبکاررفته در برج «آپالئوس» در شهر «اوساکا»، استفاده از فرودگاه هليکوپتر به عنوان املان جرم ميراگر ميراگرهاي جرمي ميزان شده يک درجه آزادي نيمه )SATMD( فعال .)SAIVD-TMD(هاي نيمه فعال ميرايي متغيرTMD .)SAIVS-TMD(هاي نيمه فعال سختي متغيرTMD .)SAIVI-TMD(هاي نيمه فعال اينرس ي متغيرTMD Semi-active variable damper tuned mass dampers (SAIVD-TMD) Semi-active variable stiffness tuned mass dampers (SAIVS-TMD) Semi-active variable inertia tuned mass dampers (SAIVI-TMD) نماي شماتيک از يک SAIVD-TMDدر جهت افقي ميراگرهاي جرمي نيمه فعال با سختي داخلي متغير نخستين سازوکارهاي سختي متغير مورداستفاده درSAIVS-TMDها، توسط «کوبوري»« ،پتن» ،و «يانگ» ارائه شده اند که همگي به صورت دو وضعيتي( )on-offمي باشند. ولي نخستين بار« ،ناگاراجايا» درسال 1998طرحي ابتکاري ارائه کرد که يک املان سختي متغير پيوسته را تأمين مي کند .اين طرح که در شکل نشان داده شده است ،درسال 2000دريک SAIVS-TMD نصب شده دربرج اداري 76طبقه و 306متري شهرملبورن استراليا ،مورد استفاده واقع گرديد . ميراگرهاي جرمي نيمه فعال با سختي داخلي متغير ميراگرهاي جرمي ميزان شده مرکب فعال-غيرفعال ازکنارهم قرارگرفتن يک ميراگرجرمي ميزان شده فعال( )ATMDو يک ميراگر جرمي ميزان شده غيرفعال( )TMDبه طور مجزا ،ايجاد مي شوند. اين نوع ازHMDها ،نخستين باردرسال 1994توسط «اوروي» ارائه گرديد. ميراگرهاي جرمي پاندولي ً ميراگرهاي جرمي پاندولي ،اساسا با تبديل و پراکنده سازي انرژي نوساني سيستم به صورت انرژي جنبش ي و انرژي پتانسيل گرانش ي کار ميکنند. درعين حال ،املانهاي فنري را هم ميتوان در تعامل با آنها استفاده نمود و از اين طريق باعث افزايش فرکانس طبيعي سيستم ميراگر گرديد. نمونه اي از يک ميراگر جرمي پاندولي با قابليت داشتن فرکانس پايين ميراگرجرمي پاندولي چندگانه ،مورداستفاده دربرج اختصاص ي شهريوکوهاما ميراگرهاي ضربهاي ً دراين نوع ميرايي معموال ،براي مهارسازي نوسانات با دامنه زياد و به ويژه درمورد تحريکات پرآشوب و داراي هرج ومرج استفاده ميشود .هزينه کم ،ساختمان ساده ،و ميزان سازي آسان ،ازمهمترين مزيتهاي اين نوع ميراگرها ميباشد. اما ،عيب عمده آنها اين است که بيشتردرسازه ها و سيستمهاي کوچک کارايي دارند. کاربرد ميراگرضربهاي درپره هاي يک توربين ميراگرهاي ذره اي تعداد زيادي ازذرات با ابعاد کوچک(بين 0.05 mmتا )5 mmدرون يک محفظه ويژه قرارگرفته ،و درنتيجه برهم کنشهاي بين آنها(ازجمله ،برهم کنش ضربهاي) يک اثرميرايي ايجاد ميشود. ميراگرهاي مايع عامل اصلي ميرايي دراين نوع ميراگرها برعهده يک مايع(سيال) ميباشد، ً که اين مايع هم عمدتا آب است. دراينجا ،ميراگرهاي مايعي درقالب دو گروه اصلي زيرتقسيم بندي و بررس ي ميشوند. -1ميراگرهاي مايعي ميزانشده )Tuned liquid dampers (TLD -2ميراگرهاي ستون مايعي ميزانشده )Tuned liquid column dampers (TLCD ميراگرهاي مايعي ميزانشده يک عيب عمده TLDها ،اين است که کارايي آنها در مقايسه با جرم شان پايين است. اين بدان خاطر است که ،بخش قابل توجهي از حجم مايع ميراگر که در محفظه قرار گرفته، به دليل عدم تالطم اثر ميراکننده اي به دنبال ندارد .يک راه حلي که براي اين مشکل ارائه گرديده ،اضافه کردن يک سري تورهاي سيمي فوالدي درون حجم مايع ميباشد. اين کار درحقيقت ،باعث پراکنده شدن حرکات و تالطمات مايع در سرتاسر حجم آن خواهد شد. عيب ديگر TLDها ،اين است که در هنگام قطع تحريک سيستم اوليه ،تالطم باقيمانده درون حجم مايع ميتواند انرژي جذب شده از سيستم اوليه را دوباره به آن بازگرداند و موجب تحريک مجدد آن شود(خودتحريکي) .تاکنون ،طرح هاي چندي براي رفع نسبي اين مشکل ارائه شدهاست .ازجمله« ،گاردارسون» طرحي ارائه کرده که در آن ،کف محفظه يا تانک حاوي مايع ميراگر ،در جهت موازي با راستاي تحريک سيستم شيبدار ميباشد (شيب .)30° ميراگرهاي مايعي ميزانشده الف) سيستم بدون ميراگر ب) سيستم با TLDمعمولي ج) سيستم با TLDداراي ذرات غوطه ور اضافي نمونههاي کاربردي TLDها درساختمانها نمايي ازميراگرهاي مايعي بهکاررفته دربرج طاليي شهرکاگاوا نمونههاي کاربردي TLDها درساختمانها نمايي ازهتل سلطنتي يوکوهاما ،و ميراگرهاي مايعي نه اليه مورداستفاده درآن نمونههاي کاربردي TLDها درساختمانها نمايي ازميراگرهاي مايعي بهکاررفته درفرودگاه بين املللي «هاندا» درشهرتوکيو، سمت راست :نماي يکي ازاجزاي ميراگر سمت چپ :سايراجزا درحالت سوارشده ميراگرهاي ستون مايعي ميزانشده ()TLCD ايده آن براي نخستين بارتوسط «ساکايي» و «سامالي»ارائه گرديد. دراين ميراگرها ،مايع ميراگردرون يک لوله Uشکل قرارميگيرد، که البته لوله مذکور ميتواند داراي خمهاي با زاويه دلخواه و گوناگون ً (معموال بين 30°تا )90°درگوشههاي خود ،باشد. )Sakai (1989) & Samali (1990 ميراگرهاي ستون مايعي ميزانشده ()TLCD کاربرد TLCDها درساختمانها و سازه هاي عمراني کاربرد TLCDها درساختمانها و سازه هاي عمراني کاربرد TLCDها درساختمانها و سازه هاي عمراني کاربرد TLCDها درساختمانها و سازه هاي عمراني کاربرد TLCDها درساختمانها و سازه هاي عمراني