The Tuned Mass Damper:How Science Could Earthquake-Proof the Skyscrapers of Tomorrow

I modsætning til mange af naturens dødbringende kræfter rammer jordskælv næsten altid uden varsel. Disse destruktive og ødelæggende kræfter kan vælte byer på få sekunder og efterlade murbrokker og tragedier i deres kølvand. Heldigvis har teknikeren besvaret opkaldet med den tunede massedæmper .

Selvom de fleste jordskælv kun er små rystelser, skal der kun én til at forårsage skader på ejendom og tusindvis af dødsfald for millioner af dollars. Af denne grund fortsætter videnskabsmænd med at forfølge nye teknologier for at begrænse den ødelæggelse, som jordskælv kan udslette.

1. Sådan fungerer afstemte massedæmpere
2. Magentorheologisk væskes rolle
3. Hvad er MR-væske
4. Sådan virker MR Fluid
5. Bygninger og broer
6. Dæmpningssystemtyper
7. Sådan fungerer en MR-væskespjæld

Hvordan Tuned Mass Dampers virker

I betragtning af den betydelige trussel, som jordskælv udgør, især mod tårnhøje skyskrabere og broer med lang spændvidde, er der gået en masse energi og kræfter i udviklingen af ​​løsninger, der kan sprede den voldsomme energi, der frigives under seismiske hændelser. En sådan innovativ løsning er den tunede massedæmper (TMD).

En TMD er en enhed, der bruger en afstemt masse til at modvirke svingningerne i en struktur. Ved at gøre det absorberer og spreder den den energi, der ellers kunne forårsage skade eller ødelæggelse.

Forestil dig et barn på en gynge. Hvis du trykker på gyngen, begynder den at bevæge sig frem og tilbage. Nu, hvis du forsøger at skubbe svinget igen, men på et tidspunkt, hvor det kommer tilbage mod dig, afbrydes svingets bevægelse. Dette er grundprincippet bag TMD'er. De væsentlige dæmpningsanordninger er designet til at "skubbe" mod strukturens bevægelse under et jordskælv og derved reducere svingningerne.

Et pålideligt tunet massedæmpersystem er afgørende, men der er mere magi til konstruktionen af ​​disse enheder, inklusive den innovative "smart fluid", kendt af de professionelle som MR.

Magentorheologisk væskes rolle

Meget af effektiviteten af ​​massedæmpere er et unikt stof kaldet magnetorheological fluid (MR-væske). Denne væske bruges inde i store spjæld til at stabilisere bygninger under jordskælv. MR-væske er en væske, der ændres til et næsten fast stof, når det udsættes for en magnetisk kraft, og derefter tilbage til væske, når den magnetiske kraft er fjernet.

Under et jordskælv vil MR-væske inde i spjældene ændre sig fra fast til flydende og tilbage, når rystelser aktiverer en magnetisk kraft inde i spjældet. Brug af disse dæmpere i bygninger og på broer vil skabe smarte strukturer, der automatisk reagerer på seismisk aktivitet.

Dette vil begrænse mængden af ​​skader forårsaget af jordskælv. I denne udgave af How Stuff WILL Work vil du lære mere om MR-væske og dens evne til at ændre tilstande. Vi vil også se på, hvordan bygninger, nye og gamle, kan omdannes til smarte strukturer.

Hvad er MR Fluid

Ser man på det i et bægerglas, virker MR-væske ikke som sådan et revolutionerende stof. Det er en grå, olieagtig væske, der er omkring tre gange tættere end vand. Det er ikke for spændende ved første øjekast, men MR-væske er faktisk ret fantastisk at se i aktion.

En simpel demonstration af David Carlson, en fysiker ved laboratoriet i North Carolina, viser væskens evne til at omdanne til fast stof på millisekunder. Han hælder væsken i koppen og rører rundt i den med en blyant for at vise, at den er væske. Han placerer derefter en magnet i bunden af ​​koppen, og væsken bliver øjeblikkeligt til et næsten fast stof. For yderligere at demonstrere, at det er blevet til et fast stof, holder han koppen på hovedet, og ingen af ​​MR-væsken falder ud.

Typisk MR-væske består af disse tre dele:

• Carbonyljernpartikler -- 20 til 40 procent af væsken er lavet af disse bløde jernpartikler, der kun er 3 til 5 mikrometer i diameter. En pakke med tørre carbonyljernpartikler ligner sort mel, fordi partiklerne er så fine.
• En bærevæske -- Jernpartiklerne er suspenderet i en flydende, normalt kulbrinteolie. Vand bruges ofte til at demonstrere væsken.
• Ejendomsbeskyttede tilsætningsstoffer -- Den tredje komponent i MR-væske er en hemmelighed, men Lord siger, at disse tilsætningsstoffer er tilsat for at hæmme gravitationel bundfældning af jernpartiklerne, fremme partikelsuspension, forbedre smøreevnen, modificere viskositeten og hæmme slid.

Sådan virker MR Fluid

Så hvad er det, der giver MR-væske sin unikke evne til at forvandle sig fra væske til fast stof og fra fast stof til væske hurtigere, end du kan blinke med et øje? Carbonyljernpartiklerne. Når en magnet påføres væsken, står disse små partikler på linje for at få væsken til at stivne til et fast stof. Dette er forårsaget af DC-magnetfeltet, hvilket får partiklerne til at låse sig til en ensartet polaritet. Hvor hårdt stoffet bliver afhænger af magnetfeltets styrke. Tag magneten væk, og partiklerne låses op med det samme.

Mens forskere for nylig har opdaget mange nye anvendelser for MR-væske, har det faktisk eksisteret i mere end 50 år. Jacob Rabinow er krediteret for at have opdaget MR-væske i 1940'erne, mens han arbejdede hos U.S. National Bureau of Standards (nu National Institute of Standards and Technology).

Indtil omkring 1990 var der få applikationer til MR-væske, fordi der ikke var nogen måde at kontrollere det korrekt på. I dag findes der digitale signalprocessorer og hurtige, billige computere, der kan styre det magnetiske felt, der påføres væsken. Anvendelser for denne teknologi omfatter Nautilus træningsudstyr, dæmpere til vaskemaskine, støddæmpere til biler og avancerede benproteser.

I næste afsnit vil vi se på de seismiske anvendelser af denne MR-teknologi, som kan have den største indflydelse på at redde liv og forhindre sammenbrud af bygninger.

Jordskælv i nyhederne

Bygninger og broer

Høje bygninger, lange overkørsler og fodgængerbroer er modtagelige for resonans skabt af kraftige vinde og seismisk aktivitet. For at afbøde resonanseffekten er det vigtigt at indbygge store dæmpere i deres design for at afbryde resonansbølgerne. Hvis disse enheder ikke er på plads, kan stærke stålkonstruktioner som bygninger og broer blive rystet til jorden, hvilket man kan se hver gang der sker et jordskælv.

Dæmpere bruges i maskiner, som du sandsynligvis bruger hver dag, herunder bilophængssystemer og tøjvaskemaskiner. Hvis du tager et kig på How Stuff Works-artiklen om vaskemaskiner, vil du lære, at dæmpningssystemer bruger friktion til at absorbere noget af kraften fra mekaniske vibrationer.

Dæmpningssystemtyper

Et dæmpningssystem i en bygning er meget større og er også designet til at give vibrationskontrol og absorbere de voldsomme stød fra et jordskælv. Spjældens størrelse afhænger af bygningens størrelse. Der er tre klassifikationer for dæmpningssystemer:

• Passiv -- Dette er et ukontrolleret spjæld, som ikke kræver indgangseffekt for at fungere. De er enkle og generelt lave i omkostninger, men ude af stand til at tilpasse sig skiftende behov.
• Aktiv -- Aktive dæmpere er kraftgeneratorer, der aktivt skubber på strukturen for at modvirke en forstyrrelse. De er fuldt kontrollerbare og kræver en masse magt.
• Semi-aktiv -- Kombinerer funktionerne i passiv og aktiv dæmpning. I stedet for at skubbe på strukturen modvirker de bevægelse med en kontrolleret modstandskraft for at reducere bevægelse. De er fuldt kontrollerbare, men kræver lidt input strøm. I modsætning til aktive enheder har de ikke potentialet til at gå ud af kontrol og destabilisere strukturen. MR-væskespjæld er semi-aktive enheder, der ændrer deres dæmpningsniveau ved at variere mængden af ​​strøm, der leveres til en intern elektromagnet, der styrer strømmen af ​​MR-væske.

Sådan fungerer et MR-væskespjæld

Inde i MR-væskespjældet er en elektromagnetisk spole viklet rundt om tre sektioner af stemplet. Der bruges cirka 5 liter MR-væske til at fylde det seismiske spjælds hovedkammer. Under et jordskælv vil sensorer knyttet til bygningen signalere computeren om at forsyne spjældene med en elektrisk ladning. Denne elektriske ladning magnetiserer derefter spolen og forvandler MR-væsken fra en væske til et næsten fast stof.

Nu vil elektromagneten sandsynligvis pulsere, når vibrationerne bølger gennem bygningen. Denne vibration vil få MR-væsken til at skifte fra væske til fast form tusindvis af gange i sekundet og kan få væskens temperatur til at stige. En termisk ekspansionsakkumulator er fastgjort til toppen af ​​spjældhuset for at tillade udvidelse af væsken, når den opvarmes. Denne akkumulator forhindrer en farlig trykstigning, når væsken udvider sig.

Afhængigt af bygningens størrelse kan der være en række af muligvis hundredvis af spjæld. Hvert spjæld ville sidde på gulvet og blive fastgjort til chevronbøjlerne, der er svejset ind i en tværbjælke af stål.

Da bygningen begynder at ryste, ville dæmperne bevæge sig frem og tilbage for at kompensere for vibrationen fra stødet. Når den er magnetiseret, øger MR-væsken mængden af ​​kraft, som dæmperne kan udøve.

Mange flere oplysninger

Relaterede artikler om, hvordan ting fungerer

• Sådan fungerer jordskælv
• Sådan fungerer broer
• Hvordan fungerer en seismograf? Hvad er Richter-skalaen?
• Brug af kæmpe kuglelejer til at modstå jordskælv
• Hvordan ting VIL fungere

Andre interessante links

• Lord Corps MR Fluid Site
• Strukturel dynamik og kontrol/jordskælvsingeniørlaboratorium
• USA Panel om strukturkontrolforskning
• Earthquake Engineering Research - University of California, Berkeley
• John A. Blume Earthquake Engineering Center
• Cal Tech's Earthquake Engineering Research Laboratory
• Building Seismic Safety Council
• Træningsudstyr sætter magnetoreologiske bremser på
• Magnetisk felt ændrer væskens viskositet
• National Earthquake Information Center
• Multidisciplinært Center for Jordskælvsingeniørforskning
• UC Berkeley Seismological Laboratory
• Center for Jordskælvsforskning og -information
• Nevada Seismological Laboratory
• Magnetisme til at redde bygninger i jordskælv
• Tæmme jordskælvets rystelser