The Tuned Mass Damper:Como a ciência poderia tornar os arranha-céus do futuro à prova de terremotos
No futuro, os edifícios poderão ser construídos com centenas de grandes amortecedores preenchidos com MR fluido para estabilizar as estruturas durante terremotos. Este diagrama mostra como os amortecedores funcionariam durante um terremoto. Foto cortesia da Lord Corp. Ao contrário de muitas das forças mortais da natureza, os terremotos quase sempre ocorrem sem aviso prévio. Estas forças destrutivas e devastadoras podem derrubar cidades em segundos, deixando para trás escombros e tragédias. Felizmente, a engenharia respondeu ao chamado com o amortecedor de massa sintonizado .
Embora a maioria dos terremotos sejam apenas pequenos tremores, basta um para causar milhões de dólares em danos materiais e milhares de mortes. Por esta razão, os cientistas continuam a procurar novas tecnologias para limitar a destruição que os terramotos podem causar.
Conteúdo
Como funcionam os amortecedores de massa sintonizados
O papel do fluido magentorreológico
O que é fluido para RM
Como funciona o fluido para RM
Edifícios e pontes
Tipos de sistemas de amortecimento
Como funciona um amortecedor de fluido MR
Como funcionam os amortecedores de massa sintonizados
Dada a ameaça significativa que os terramotos representam, especialmente para os imponentes arranha-céus e pontes de longo vão, muita energia e esforço foram investidos no desenvolvimento de soluções que possam dissipar a energia violenta libertada durante os eventos sísmicos. Uma dessas soluções inovadoras é o amortecedor de massa sintonizado (TMD).
Um TMD é um dispositivo que utiliza uma massa sintonizada para neutralizar as oscilações de uma estrutura. Ao fazer isso, absorve e dissipa a energia que poderia causar danos ou destruição.
Imagine uma criança em um balanço. Se você empurrar o balanço, ele começará a se mover para frente e para trás. Agora, se você tentar empurrar o balanço novamente, mas no momento em que ele estiver voltando em sua direção, o movimento do balanço será interrompido. Este é o princípio básico por trás das DTM. Os dispositivos de amortecimento essenciais são projetados para “empurrar” o movimento da estrutura durante um terremoto, reduzindo assim as oscilações.
Um sistema de amortecimento de massa sintonizado confiável é essencial, mas há mais magia na engenharia desses dispositivos, incluindo o inovador “fluido inteligente” conhecido pelos profissionais como MR.
O papel do fluido magentorreológico
Grande parte da eficácia dos amortecedores de massa é uma substância única chamada fluido magnetoreológico (fluido MR). Este fluido é usado dentro de grandes amortecedores para estabilizar edifícios durante terremotos. O fluido MR é um líquido que se transforma em quase sólido quando exposto a uma força magnética e depois volta a ser líquido quando a força magnética é removida.
Durante um terremoto, o fluido MR dentro dos amortecedores mudará de sólido para líquido e vice-versa, à medida que os tremores ativam uma força magnética dentro do amortecedor. A utilização destes amortecedores em edifícios e pontes criará estruturas inteligentes que reagem automaticamente à atividade sísmica.
Isto limitará a quantidade de danos causados por terremotos. Nesta edição de How Stuff WILL Work, você aprenderá mais sobre o fluido MR e sua capacidade de mudar de estado. Veremos também como os edifícios, novos e antigos, podem ser transformados em estruturas inteligentes.
O que é fluido MR
Acima, fluido de RM antes da magnetização. Abaixo, o fluido se transformou em sólido depois de ser magnetizado. Observe a superfície brilhante do líquido na foto superior e a superfície fosca na foto inferior. Olhando para um copo, o fluido MR não parece uma substância tão revolucionária. É um líquido cinza e oleoso cerca de três vezes mais denso que a água. Não é muito emocionante à primeira vista, mas o fluido MR é realmente incrível de assistir em ação.
Uma demonstração simples feita por David Carlson, físico do laboratório da Carolina do Norte, mostra a capacidade do líquido de se transformar em sólido em milissegundos. Ele derrama o líquido no copo e mexe com um lápis para mostrar que é líquido. Ele então coloca um ímã no fundo do copo e o líquido instantaneamente se transforma em quase sólido. Para demonstrar ainda mais que ele se tornou sólido, ele segura o copo de cabeça para baixo e nenhum fluido de RM cai.
O fluido MR típico consiste nestas três partes:
Partículas de Ferro Carbonil - 20 a 40 por cento do fluido é feito dessas partículas de ferro macio que têm apenas 3 a 5 micrômetros de diâmetro. Um pacote de partículas secas de ferro carbonílico parece farinha preta porque as partículas são muito finas.
Um líquido transportador -- As partículas de ferro estão suspensas em um líquido, geralmente óleo de hidrocarboneto. A água é frequentemente usada para demonstrar o fluido.
Aditivos proprietários -- O terceiro componente do fluido MR é um segredo, mas Lord diz que esses aditivos são colocados para inibir a sedimentação gravitacional das partículas de ferro, promover a suspensão das partículas, aumentar a lubricidade, modificar a viscosidade e inibir o desgaste.
Como funciona o fluido MR
Então, o que dá ao fluido MR sua capacidade única de se transformar de líquido em sólido e de sólido em líquido mais rápido do que você consegue piscar? As partículas de ferro carbonílico. Quando um ímã é aplicado ao líquido, essas minúsculas partículas se alinham para fazer o fluido endurecer e se tornar um sólido. Isso é causado pelo campo magnético CC, fazendo com que as partículas se fixem em uma polaridade uniforme. A dureza da substância depende da força do campo magnético. Retire o ímã e as partículas serão desbloqueadas imediatamente.
Embora os cientistas tenham descoberto recentemente muitas novas aplicações para o fluido de RM, ele já existe há mais de 50 anos. Jacob Rabinow é responsável pela descoberta do fluido MR na década de 1940, enquanto trabalhava no National Bureau of Standards dos EUA (agora Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia).
Até cerca de 1990, havia poucas aplicações para fluido de RM porque não havia maneira de controlá-lo adequadamente. Hoje, existem processadores de sinais digitais e computadores rápidos e baratos que podem controlar o campo magnético aplicado ao fluido. As aplicações dessa tecnologia incluem equipamentos de ginástica Nautilus, amortecedores para máquinas de lavar roupas, amortecedores para carros e próteses avançadas de pernas.
Na próxima secção, analisaremos as aplicações sísmicas desta tecnologia de RM, que podem ter o maior impacto no salvamento de vidas e na prevenção do colapso de edifícios. Terremotos nas notícias
Edifícios e pontes
Prédios altos, viadutos longos e pontes para pedestres são suscetíveis à ressonância criada por ventos fortes e atividades sísmicas. Para mitigar o efeito de ressonância, é importante incorporar grandes amortecedores em seu projeto para interromper as ondas ressonantes. Se estes dispositivos não estiverem instalados, fortes estruturas de aço, como edifícios e pontes, podem cair no chão, como acontece sempre que ocorre um terramoto.
Os amortecedores são usados em máquinas que você provavelmente usa todos os dias, incluindo sistemas de suspensão de carros e máquinas de lavar roupas. Se você der uma olhada no artigo Como funciona sobre máquinas de lavar, aprenderá que os sistemas de amortecimento usam fricção para absorver parte da força das vibrações mecânicas.
Tipos de sistemas de amortecimento
Um sistema de amortecimento em um edifício é muito maior e também é projetado para fornecer controle de vibração e absorver os choques violentos de um terremoto. O tamanho dos amortecedores depende do tamanho do edifício. Existem três classificações para sistemas de amortecimento:
Passivo - Este é um damper não controlado, que não requer energia de entrada para operar. Eles são simples e geralmente de baixo custo, mas incapazes de se adaptar às novas necessidades.
Ativos – Amortecedores ativos são geradores de força que empurram ativamente a estrutura para neutralizar uma perturbação. Eles são totalmente controláveis e requerem muita energia.
Semi-Ativo – Combina recursos de amortecimento passivo e ativo. Em vez de empurrar a estrutura, eles neutralizam o movimento com uma força resistiva controlada para reduzir o movimento. Eles são totalmente controláveis, mas requerem pouca potência de entrada. Ao contrário dos dispositivos ativos, eles não têm potencial para sair do controle e desestabilizar a estrutura. Os amortecedores de fluido MR são dispositivos semiativos que alteram seu nível de amortecimento variando a quantidade de corrente fornecida a um eletroímã interno que controla o fluxo do fluido MR.
Um amortecedor de fluido MR em escala real com 1 metro de comprimento e pesando 250 quilogramas. Este amortecedor pode exercer 20 toneladas (200.000 N) de força em um edifício. Foto cortesia da Lord Corp.
Como funciona um amortecedor de fluido MR
Dentro do amortecedor de fluido MR, uma bobina eletromagnética envolve três seções do pistão. Aproximadamente 5 litros de fluido MR são usados para encher a câmara principal do amortecedor sísmico. Durante um terremoto, sensores conectados ao edifício sinalizarão ao computador para fornecer carga elétrica aos amortecedores. Essa carga elétrica então magnetiza a bobina, transformando o fluido MR de líquido para quase sólido.
Agora, o eletroímã provavelmente pulsará à medida que as vibrações se propagarem pelo edifício. Esta vibração fará com que o fluido MR mude de líquido para sólido milhares de vezes por segundo e pode causar o aumento da temperatura do fluido. Um acumulador de expansão térmica é fixado na parte superior da carcaça do amortecedor para permitir a expansão do fluido à medida que ele aquece. Este acumulador evita um aumento perigoso de pressão à medida que o fluido se expande.
Edifícios equipados com amortecedores de fluido MR atenuarão as vibrações durante um terremoto. Dependendo do tamanho do edifício, pode haver um conjunto de possivelmente centenas de amortecedores. Cada amortecedor ficaria no chão e seria preso aos suportes em forma de chevron que são soldados em uma viga transversal de aço.
À medida que o edifício começa a tremer, os amortecedores movem-se para frente e para trás para compensar a vibração do choque. Quando magnetizado, o fluido MR aumenta a quantidade de força que os amortecedores podem exercer.
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