Демпфер с настроенной массой – компоненты, работа и применение

Что такое настроенный массовый демпфер (TMD)?

Демпфер настроенной массы (также называемый поглотителем вибрации или гасителем вибрации) – это устройство, устанавливаемое в определенном месте конструкции для снижения амплитуды вибрации до приемлемого уровня при воздействии сильных боковых сил, таких как землетрясение или сильный ветер.
Таким образом, предотвращается дискомфорт, повреждения или разрушение конструкции, вызванные вибрацией. В этой статье представлены различные аспекты демпфера с настроенной массой и его применения.

Компоненты Настроенный массовый демпфер

Компоненты демпфера настроенной массы включают в себя:

Компоненты демпфера с настроенной массой

Маятниковый демпфер с настроенной массой

Значения K2 и M2 задаются таким образом, чтобы подвижная часть системы демпфера могла быть настроена на частоту конструкции. На рис. 3 показаны кривые для двух конструкций с использованием демпфера с настроенной массой и без него.

Амплитуда – Частотная характеристика системы с низким демпфированием без (синий) и с (желтый) настроенным массовым демпфером

Типы демпферов с настроенной массой (TMD)

Горизонтальный настроенный массовый демпфер (TMD)

Обычно встречается в тонких зданиях, башнях связи, шпилях и т.п. Горизонтальный настроенный массовый демпфер (TMD), как показано на рис. 1, состоит из вискодемпферов и рессор или маятниковых подвесок. Он гасит горизонтальные и крутильные колебания.

Вертикальный настроенный массовый демпфер (TMD)

Обычно применяется в длиннопролетных горизонтальных конструкциях, таких как мосты, перекрытия и пешеходные дорожки. Вертикальный настроенный массовый демпфер (TMD), как показано на рис. 2, представляет собой комбинацию витых пружин и вискодемпферов и гасит вертикальные колебания.
Оба типа имеют схожие функции, хотя могут иметь небольшие различия в механизме.

Как работают демпферы с настроенной массой?

Демпфер настроенной массы (TMD) состоит из массы (m), пружины (k) и демпфирующего устройства (c), которое рассеивает энергию, создаваемую движением массы (обычно в виде тепла). На этом рисунке M – это конструкция, к которой будет прикреплен демпфер.

Принципы работы демпфера с настроенной массой

Из законов физики мы знаем, что F = ma и a = F/m. Это означает, что когда к системе прикладывается внешняя сила, например, ветер давит на небоскреб, должно возникнуть ускорение.
Следовательно, люди, находящиеся в небоскребе, почувствуют это ускорение. Для того чтобы жильцы здания чувствовали себя более комфортно, в конструкциях, где горизонтальные отклонения от силы ветра ощущаются сильнее всего, устанавливаются настроенные демпферы массы, которые фактически делают здание относительно неподвижным.
Когда здание начинает колебаться или раскачиваться, оно приводит в движение TMD с помощью пружины, и когда здание отклоняется вправо, TMD одновременно отклоняет его влево.
В идеале частоты и амплитуды TMD и конструкции должны почти совпадать, чтобы каждый раз, когда ветер толкает здание, TMD создавал равное и противоположное давление на здание, поддерживая его горизонтальное смещение на уровне или близком к нулю.
Если их частоты значительно отличаются, TMD будет создавать толчки, не синхронизированные с толчками ветра, и движение здания все равно будет дискомфортным для жильцов.
Если бы их амплитуды значительно отличались, TMD, например, создавал бы толчки, синхронизированные с толчками ветра, но не совсем одинаковые по величине, и здание по-прежнему испытывало бы слишком сильное движение.
Эффективность ТМД зависит от отношения массы (ТМД к самой конструкции), отношения частоты ТМД к частоте конструкции (которая в идеале равна единице) и коэффициента демпфирования ТМД (насколько хорошо демпфирующее устройство рассеивает энергию).
Широкопролетные конструкции (мосты, зрительские трибуны, большие лестницы, крыши стадионов), а также тонкие высокие конструкции (дымовые трубы, высотные здания), как правило, легко возбуждаются до высоких амплитуд колебаний в одной из своих основных модовых форм, например, ветром или марширующими и прыгающими людьми.
Низкие собственные частоты характерны для этого типа конструкций из-за их размеров, как и низкое демпфирование. С помощью демпферов GERB Tuned Mass Dampers (TMD) эти колебания могут быть снижены очень эффективно.

Работа демпфера настроенной массы

Применение демпферов с настроенной массой

Демпферы с настроенной массой в основном используются в следующих областях:

• Высокие и тонкие отдельно стоящие конструкции (мосты, пилоны мостов, дымовые трубы, телебашни), которые имеют тенденцию опасно возбуждаться в одной из своих режимных форм под действием ветра,

Демпферы с настроенной массой могут быть частью первоначального проекта конструкции или могут быть спроектированы и установлены позже.

Пример применения демпфера настроенной массы

Тайбэйская конструкция имеет TMD весом 730 тонн и самый большой диаметр в мире (рис. 6). На рис. 7 и рис. 8 показаны тюнингованные демпферы Burj Al Arab и Emirate Tower соответственно.

Настроенный демпфер массы конструкции Тайбэя

Демпфер с регулируемой массой башни Бурдж Аль Араб

Демпфер с регулируемой массой башни Эмиратов

• Сейсмические демпферы – типы, механизм работы и компоненты.
• Типы и конструкция стальных дымовых труб.
• Как уменьшить вызванную человеком вибрацию в железобетонных конструкциях?.
• Концептуальный сейсмический проект моста с вантовой опорой и его компоненты.
• Методы сейсмостойкого проектирования зданий и сооружений.
• Пизанская башня: Архитектурное чудо или инженерная неудача?.
• Обрушение моста Такома-Нарроуз: конкретный пример.