De Wikipedia, la enciclopedia libre
Ir a navegaciónSaltar a buscar
Amortiguador de masa sintonizado en la cima de Taipei 101

Un amortiguador de masa sintonizado ( TMD ), también conocido como amortiguador de armónicos o amortiguador sísmico , es un dispositivo montado en estructuras para reducir las vibraciones mecánicas , que consiste en una masa montada en uno o más resortes amortiguados . Su frecuencia de oscilación está ajustada para ser similar a la frecuencia de resonancia del objeto en el que está montado, y reduce la amplitud máxima del objeto mientras pesa mucho menos que él.

Los TMD pueden prevenir molestias, daños o fallas estructurales absolutas . Se utilizan con frecuencia en la transmisión de energía, automóviles y edificios.

Principio

Un esquema de un sistema simple de resorte-masa-amortiguador utilizado para demostrar el sistema de amortiguador de masa sintonizado

Los amortiguadores de masa sintonizados se estabilizan contra el movimiento violento causado por la vibración armónica . Utilizan un componente comparativamente ligero para reducir la vibración de un sistema de modo que las vibraciones del peor de los casos sean menos intensas. En términos generales, los sistemas prácticos están sintonizados para alejar el modo principal de una frecuencia de excitación problemática o para agregar amortiguación a una resonancia que es difícil o costosa de amortiguar directamente. Un ejemplo de este último es un amortiguador de torsión de cigüeñal. Los amortiguadores de masa se implementan con frecuencia con un componente de fricción o hidráulico que convierte la energía cinética mecánica en calor, como un amortiguador de automóviles .

Dado un motor con masa m 1 unido a través de soportes del motor al suelo, el motor vibra mientras funciona y los soportes blandos del motor actúan como un resorte paralelo y un amortiguador, k 1 y c 1 . La fuerza sobre los soportes del motor es F 0 . Para reducir la fuerza máxima sobre los soportes del motor cuando el motor opera en un rango de velocidades , se conecta una masa más pequeña, m 2 , a m 1 mediante un resorte y un amortiguador, k 2 y c 2 . F 1 es la fuerza efectiva sobre el motor debido a su funcionamiento.

Respuesta del sistema excitado por una unidad de fuerza, con ( rojo ) y sin ( azul ) el 10% de masa sintonizada. La respuesta máxima se reduce de 9 unidades a 5,5 unidades. Si bien se reduce la fuerza de respuesta máxima, hay algunas frecuencias operativas para las que se aumenta la fuerza de respuesta.

El gráfico muestra el efecto de un amortiguador de masa sintonizado en un sistema simple resorte-masa-amortiguador, excitado por vibraciones con una amplitud de una unidad de fuerza aplicada a la masa principal, m 1 . Una medida importante de rendimiento es la relación entre la fuerza en los soportes del motor y la fuerza que hace vibrar el motor,F 0/F 1. Esto supone que el sistema es lineal, por lo que si la fuerza sobre el motor se duplicara, también lo haría la fuerza sobre los montajes del motor. La línea azul representa el sistema de referencia, con una respuesta máxima de 9 unidades de fuerza en alrededor de 9 unidades de frecuencia. La línea roja muestra el efecto de agregar una masa sintonizada del 10% de la masa de referencia. Tiene una respuesta máxima de 5,5, a una frecuencia de 7. Como efecto secundario, también tiene un segundo modo normal y vibrará algo más que el sistema de línea de base a frecuencias por debajo de aproximadamente 6 y por encima de aproximadamente 10.

Las alturas de los dos picos se pueden ajustar cambiando la rigidez del resorte en el amortiguador de masa sintonizado. Cambiar la amortiguación también cambia la altura de los picos, de una manera compleja. La división entre los dos picos se puede cambiar alterando la masa del amortiguador ( m 2 ).

Un diagrama de Bode de los desplazamientos en el sistema con ( rojo ) y sin ( azul ) el 10% de masa sintonizada.

El diagrama de Bode es más complejo y muestra la fase y la magnitud del movimiento de cada masa, para los dos casos, en relación con F 1 .

En los gráficos de la derecha, la línea negra muestra la respuesta de la línea de base ( m 2  = 0). Ahora considerando m 2  = m 1/10, la línea azul muestra el movimiento de la masa amortiguadora y la línea roja muestra el movimiento de la masa primaria. El gráfico de amplitud muestra que a bajas frecuencias, la masa amortiguadora resuena mucho más que la masa primaria. El diagrama de fase muestra que a bajas frecuencias, las dos masas están en fase. A medida que aumenta la frecuencia, m 2 se desfasa con m 1 hasta alrededor de 9,5 Hz está desfasado 180 ° con m 1 , maximizando el efecto de amortiguación al maximizar la amplitud de x 2  -  x 1 , esto maximiza la energía disipada en c 2 y simultáneamente tira de la masa primaria en la misma dirección en la que se monta el motor.

Amortiguadores de masa en automóviles

Motorsport

El amortiguador de masa sintonizado fue introducido como parte del sistema de suspensión por Renault, en su automóvil de F1 de 2005 (el Renault R25 ), en el Gran Premio de Brasil de 2005 . El sistema fue inventado por el Dr. Robin Tuluie y, según los informes, redujo los tiempos de vuelta en 0,3 segundos: una ganancia fenomenal para un dispositivo relativamente simple. [1] Los comisarios de la reunión lo consideraron legal, pero la FIA apeló contra esa decisión.

Dos semanas después, la Corte Internacional de Apelaciones de la FIA consideró ilegal el amortiguador masivo. [2] [3] Se consideró ilegal, porque la masa no estaba rígidamente unida al chasis y, debido a la influencia que tenía en la posición de cabeceo del automóvil, lo que a su vez afectó significativamente el espacio debajo del automóvil y de ahí los efectos sobre el suelo del coche, ser un dispositivo aerodinámico móvil y, por tanto, influir ilegalmente en el rendimiento de la aerodinámica .

Autos de producción

Los amortiguadores de masa sintonizados se utilizan ampliamente en automóviles de producción, generalmente en la polea del cigüeñal para controlar la vibración torsional y, más raramente, los modos de flexión del cigüeñal. También se utilizan en la línea de transmisión para el ruido de engranajes y en otros lugares para otros ruidos o vibraciones en el escape, la carrocería, la suspensión o en cualquier otro lugar. Casi todos los autos modernos tendrán un amortiguador de masa, y algunos pueden tener diez o más.

El diseño habitual de amortiguador en el cigüeñal consiste en una delgada banda de goma entre el cubo de la polea y la llanta exterior. Este dispositivo, a menudo llamado amortiguador armónico , está ubicado en el otro extremo del cigüeñal opuesto a donde está el volante y la transmisión. Un diseño alternativo es el absorbedor de péndulo centrífugo que se utiliza para reducir las vibraciones torsionales del motor de combustión interna en algunos coches modernos.

Las cuatro ruedas del Citroën 2CV incorporaron un amortiguador de masa sintonizado (denominado "Batteur" en el francés original) de diseño muy similar al utilizado en el automóvil Renault F1, desde el inicio de la producción en 1949 en las cuatro ruedas. antes de ser quitado de la parte trasera y eventualmente de las ruedas delanteras a mediados de la década de 1970.

Amortiguadores de masa en naves espaciales

Una propuesta para reducir la vibración en el reforzador de combustible sólido Ares de la NASA fue utilizar 16 amortiguadores de masa sintonizados como parte de una estrategia de diseño para reducir las cargas máximas de 6 ga 0,25 g , siendo los TMD responsables de la reducción de 1 ga 0,25 g , la el resto se realiza mediante aisladores de vibración convencionales entre las etapas superiores y el amplificador. [4] [5]

Los satélites estabilizados por giro tienen un desarrollo de nutación a frecuencias específicas. Los amortiguadores de nutación de corrientes de Foucault han volado en satélites estabilizados por giro para reducir y estabilizar la nutación.

Amortiguadores en líneas de transmisión de energía

Los pequeños objetos negros unidos a los cables son amortiguadores Stockbridge en esta línea eléctrica de 400 kV cerca de Castle Combe , Inglaterra.

Las líneas de alta tensión a menudo tienen pequeños amortiguadores Stockbridge en forma de barra que cuelgan de los cables para reducir la oscilación de alta frecuencia y baja amplitud denominada aleteo . [6] [7]

Amortiguadores en turbinas eólicas

Un amortiguador de masa sintonizado estándar para aerogeneradores consta de una masa auxiliar que se fija a la estructura principal por medio de resortes y elementos de amortiguación. La frecuencia natural del amortiguador de masa sintonizado se define básicamente por su constante de resorte y la relación de amortiguación determinada por el amortiguador. El parámetro sintonizado del amortiguador de masa sintonizado permite que la masa auxiliar oscile con un cambio de fase con respecto al movimiento de la estructura. En una configuración típica, una masa auxiliar colgaba debajo de la góndola de una turbina eólica sostenida por amortiguadores o placas de fricción.

Amortiguadores en edificios y estructuras relacionadas

Ubicación del amortiguador de masa sintonizado más grande de Taipei 101

Normalmente, los amortiguadores son enormes bloques de hormigón o cuerpos de acero montados en rascacielos u otras estructuras, y que se mueven en oposición a las oscilaciones de frecuencia de resonancia de la estructura por medio de resortes , fluidos o péndulos.

Fuentes de vibración y resonancia

La vibración no deseada puede ser causada por fuerzas ambientales que actúan sobre una estructura, como el viento o un terremoto, o por una fuente de vibración aparentemente inocua que causa una resonancia que puede ser destructiva, desagradable o simplemente inconveniente.

Terremotos

Las ondas sísmicas causadas por un terremoto harán que los edificios se balanceen y oscilen de varias maneras dependiendo de la frecuencia y dirección del movimiento del suelo, y la altura y construcción del edificio. La actividad sísmica puede causar oscilaciones excesivas del edificio que pueden provocar fallas estructurales . Para mejorar el rendimiento sísmico del edificio , se realiza un diseño de edificio adecuado con varios controles de vibración sísmicatecnologías. Como se mencionó anteriormente, los dispositivos de amortiguación se habían utilizado en las industrias aeronáutica y automotriz mucho antes de que fueran estándar para mitigar los daños sísmicos en los edificios. De hecho, los primeros dispositivos de amortiguación especializados para terremotos no se desarrollaron hasta finales de 1950. [8]

Fuentes humanas mecánicas

Amortiguadores en el Millennium Bridge de Londres. El disco blanco no forma parte del amortiguador.

Las masas de personas que suben y bajan escaleras a la vez, o un gran número de personas pisando fuerte al unísono, pueden causar serios problemas en estructuras grandes como estadios si esas estructuras carecen de medidas de amortiguación.

Viento

La fuerza del viento contra los edificios altos puede hacer que la parte superior de los rascacielos se mueva más de un metro. Este movimiento puede tener la forma de balanceo o torsión, y puede hacer que se muevan los pisos superiores de dichos edificios. Ciertos ángulos de viento y propiedades aerodinámicas de un edificio pueden acentuar el movimiento y causar mareos en las personas. Un TMD generalmente se sintoniza con la frecuencia de un edificio determinado para que funcione de manera eficiente. Sin embargo, durante su vida útil, los edificios delgados y de gran altura pueden experimentar cambios de frecuencia naturales bajo la velocidad del viento, la temperatura ambiente y las variaciones de humedad relativa, entre otros factores, lo que requiere un diseño de TMD robusto. [9]

Ejemplos de edificios y estructuras con amortiguadores de masa sintonizados

Canadá

  • One Wall Center en Vancouver : emplea amortiguadores de columna de líquido sintonizados, una forma única de amortiguador de masa sintonizado en el momento de su instalación.
  • CN Tower (Canadian National Tower) en Toronto .

China

  • La Torre de Shanghai en Shanghai, China, es el segundo edificio más alto del mundo.
  • Shanghai World Financial Center en Shanghai, China

Alemania

  • Torre de Televisión de Berlín ( Fernsehturm ): amortiguador de masa sintonizado ubicado en la aguja.
  • Transmisor VLF DHO38 - contenedores cilíndricos llenos de granulado en la estructura del mástil

India

  • ATC Tower Delhi Airport en Nueva Delhi, India : un amortiguador de masa sintonizado de 50 toneladas instalado justo debajo del piso del ATC a 90 m.
  • Estatua de la Unidad en Gujarat , India : un amortiguador de masa sintonizado de 400 toneladas ubicado al nivel del pecho de la estatua de Sardar Patel.

Irán

  • Torre Internacional de Teherán

Irlanda

  • Dublin Spire en Dublín, Irlanda : diseñado con un amortiguador de masa sintonizado para garantizar la estabilidad aerodinámica durante una tormenta de viento.

Japón

  • El puente Akashi Kaikyō , entre Honshu y Shikoku en Japón, actualmente el puente colgante más largo del mundo, utiliza péndulos dentro de sus torres de suspensión como amortiguadores de masa sintonizados.
  • Ribbon Chapel [10] en Hiroshima, Japón, utiliza un TMD para amortiguar las vibraciones en dos escaleras helicoidales entrelazadas. [11]
  • Tokyo Skytree
  • Torre de referencia de Yokohama [12]
  • Torre del puerto de Chiba, Japón

Rusia

  • Sakhalin-I : una plataforma de perforación en alta mar

Taiwán

  • Rascacielos Taipei 101 : contiene los amortiguadores de masa sintonizados más grandes y pesados ​​del mundo, con 660 toneladas métricas (730 toneladas cortas). [13]

Emiratos Árabes Unidos

  • Burj al-Arab en Dubai - 11 amortiguadores de masa sintonizados.
  • Burj Khalifa en Dubai

Reino Unido

  • London Millennium Bridge : apodado 'The Wobbly Bridge' debido a que se balancea bajo el intenso tráfico peatonal. Se instalaron amortiguadores en respuesta.
  • One Canada Square : antes de la finalización del Shard en 2012, este era el edificio más alto del Reino Unido .

Estados Unidos

  • 432 Park Avenue en la ciudad de Nueva York [14]
  • Bally's a Bellagio , Bally's a Caesars Palace y Treasure Island a The Venetian Pedestrian Bridges en Las Vegas
  • Bloomberg Tower / 731 Lexington en la ciudad de Nueva York
  • Citigroup Center en la ciudad de Nueva York: diseñado por William LeMessurier y terminado en 1977, fue uno de los primeros rascacielos en utilizar un amortiguador de masa sintonizado para reducir el balanceo. [15] Utiliza una versión concreta.
  • Comcast Center en Filadelfia : contiene el amortiguador de columna de líquido sintonizado (TLCD) más grande del mundo con 1300 toneladas. [dieciséis]
  • Comcast Technology Center en Filadelfia: un conjunto de cinco amortiguadores sintonizados que contienen 125,000 galones de agua, aproximadamente 500 toneladas, están ubicados en el piso 57 entre las habitaciones del hotel y el vestíbulo. [17]
  • Skywalk del Gran Cañón , Arizona
  • La Torre Hancock en Boston : se le agregó un amortiguador de masa sintonizado después de su construcción, lo que lo convierte en el primer edificio en utilizar un amortiguador de masa sintonizado.
  • One Madison en la ciudad de Nueva York [18]
  • One Rincon Hill South Tower , San Francisco : primer edificio en California en tener un amortiguador de masa sintonizado por líquido
  • Park Tower en Chicago : el primer edificio en los Estados Unidos que se diseñó con un amortiguador de masa sintonizado desde el principio.
  • Torre Random House : utiliza dos amortiguadores llenos de líquido en la ciudad de Nueva York
  • Edificio temático en el aeropuerto internacional de Los Ángeles Los Ángeles
  • Trump World Tower en la ciudad de Nueva York

Ver también

  • Antirresonancia

Referencias

  1. ^ "Cómo Renault ganó un campeonato mundial mediante la creación de un amortiguador de masa sintonizado" . Moregoodink.com . Consultado el 8 de febrero de 2019 .
  2. ^ Obispo, Matt (2006). "La larga entrevista: Flavio Briatore". F1 Racing (octubre): 66–76.
  3. ^ "FIA prohíbe el controvertido sistema de amortiguación" . Pitpass.com . Consultado el 7 de febrero de 2010 .
  4. ^ "Las reuniones de Ares I Thrust Oscillation concluyen con datos alentadores, cambios" . NASASpaceFlight.com . 2008-12-09 . Consultado el 7 de febrero de 2010 .
  5. ^ "Plan de amortiguador establecido para el nuevo cohete de la NASA" . SPACE.com. 2008-08-19 . Consultado el 7 de febrero de 2010 .
  6. ^ Sauter, D; Hagedorn, P (diciembre de 2002). "Sobre la histéresis de cables de alambre en amortiguadores Stockbridge". Revista Internacional de Mecánica No Lineal . 37 (8): 1453–1459. Código bibliográfico : 2002IJNLM..37.1453S . doi : 10.1016 / S0020-7462 (02) 00028-8 . INIST : 13772262 .
  7. ^ "Cable clingers - 27 de octubre de 2007" . Nuevo científico . Archivado desde el original el 5 de mayo de 2008 . Consultado el 7 de febrero de 2010 .
  8. ^ Reitherman, Robert (2012). Terremotos e ingenieros: una historia internacional . Reston, VA: Prensa de ASCE. ISBN 9780784410714. Archivado desde el original el 26 de julio de 2012.
  9. ^ Aly, Aly Mousaad (25 de junio de 2014). "Propuesta de amortiguador de masa sintonizado robusto para la mitigación de la respuesta en edificios expuestos a viento multidireccional". El diseño estructural de edificios altos y especiales . 23 (9): 664–691. doi : 10.1002 / tal.1068 .
  10. ^ CAPILLA DE CINTA en Vimeo
  11. ^ Nakamura, Hiroshi (4 de febrero de 2015). "Capilla de la cinta / Hiroshi Nakamura & NAP Architects" . ArchDaily . Consultado el 15 de febrero de 2017 .
  12. ↑ Luca, Septimiu-George; Pastia, Cristian; Chira, Florentina (2007). "Aplicaciones recientes de algunos sistemas de control activo en estructuras de ingeniería civil" . El Boletín del Instituto Politécnico de Jassy, ​​Construcción. Sección de Arquitectura . 53 (1-2): 21-28.
  13. ^ taipei-101.com.tw
  14. ^ Stewart, Aaron. "En detalle> 432 Park Avenue" . El periódico del arquitecto . Consultado el 31 de enero de 2016 .
  15. ^ Petroski, Henry (1996). Invención por diseño: cómo los ingenieros pasan del pensamiento a la cosa . Prensa de la Universidad de Harvard . págs.  205–208 .
  16. ^ "Centro de Comcast" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 17 de febrero de 2012 . Consultado el 7 de febrero de 2010 .
  17. ^ Bob Fernandez (10 de diciembre de 2014). “Ingenieros en ascenso: Cuatro jóvenes profesionales abordan un proyecto de carrera” . philly.com . Philadelphia Media Network (Digital), LLC. Archivado desde el original el 22 de noviembre de 2017 . Consultado el 3 de diciembre de 2017 .
  18. ^ Personal (agosto de 2011) "One Madison Park, Nueva York" Sitio web del Consejo sobre edificios altos y hábitat urbano . Archivado el 28 de enero de 2018 en Wayback Machine .

Enlaces externos

  • Estructuras que incorporan amortiguadores de masa sintonizados