Tuned Mass Dampers Nedir?

Bir melodik kütle demper (TMD), yapılarındaki vibrasyonları kontrol etmek için tasarlanmış pasif bir mekanik sistemdir. Büyük bir kütleden oluşur -tip olarak birkaç tondan 1000 ton ağırlığından herhangi bir yere tartılır - binanın baskınına yakın bir şekilde bağlanır.Bu kütle bir tarafa bağlanırken, rüzgar ters yönde hareket eder ve vibrasyonlar, binaya karşı hareket eder ve binayı tamamen azaltır ve "tuned"dir.

Setlenmiş kütle barajı kavramı 20. yüzyılın başlarında tekrar tarihler, önce gemilere uygulanır ve daha sonra uzun binalara adapte edilir. Erken uygulamalar basit pendulumlu cihazlar kullanılır, ancak modern TMD’ler, enerji dağıtımını kontrol etmek için sofistike hidrolik veya elektromanyetik baraj elemanları içerir. Bugün, birçok süpertall yapıların tasarımı için integraldir, mimarların rahat ve yapısal bütünlüğü sürdürmelerini sağlar.

Tuned Mass Dampers türleri

Temel ilke aynı kalırken, mühendisler farklı bina geometrileri ve yükleme koşullarını uygun olarak çeşitli konfigürasyonlar geliştirdiler:

  • [FONT:0]Pendulum TMDs:[DÜT:1] Bir kitle kablo veya çubuklar tarafından askıya alındı, pendulum gibi salladı.The Shanghai Tower, fazdan hareket ederek 1000 ton elektromanyetik barajı kullanıyor.
  • [FONT=0] TMD'leri genişletin: [DÜDÜDÜDÜDÜSTR:0]Sliding TMDs:[[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜye Olmayan Bir Metal: [DÜye Olmayanlar İçin Bir Üste Çıkma veya Düşük Boyutlu Bir Yolda Bir Metallik Bir Metallik Motorun Geri Dönüşü Bir Şekilde Bir Motorun Geri Dönüşüdürülebilir.
  • [FONT:0]Tuned Liquid Column Dampers (TLCD): [Dönetici: 1) Katı bir kütle yerine, su veya başka bir sıvı ile dolu bir U- şekilli tüpün bir boru. sıvı osilleri geri ve ileri geri geri ya da enerjiden uzaklaştırır, ya da büyük bir yüklenir. TLCDs genellikle Burj Khalifa gibi binalarda diğer barajlarla birlikte kullanılır.
  • [FONT:0)Active Tuned Mass Dampers: Sensörleri kullanan ve eylemcileri etkin olarak en uygun şekilde kütleyi itmek için kullanan, tamamen pasif tasarımlardan daha fazla kontrol sağlamak. Bunlar çok uzun, esnek kulelerde kullanılır.

Her tür maliyet, bakım, uzay gereksinimleri ve farklı rüzgar frekansları arasında etkili olan ticaret odaları vardır. Mühendisler binanın yüksek, toplu dağıtım ve yerel rüzgar iklimine dayanan uygun sistemi seçerler.

TMD'ler Bina Swings'i Nasıl Azaltır: Fizik ve Mühendislik

TMD'lerin neden bu kadar etkili olduğunu anlamak için, bu hareketin dinamiklerini rüzgar yükü altında düşünmeye yardımcı olur. Bir göklerce pendulumlu gibi davranır: rüzgar en yüksek vibrasyon enerjisini içerek sürükleriyor ve binanın elastikliği doğal frekansının% 2'sine yol açıyor.

Bir TMD, binanın doğal frekansında, TMD salınımlarının tersine doğru, 90 veya 180 derece fazına, ayara bağlı olarak, büyük bir çift osilatör yaratır.Çünkü binanın toplam kütle oranının% 0.5'i, binanın hareketine karşı sabit bir kuvvetle azalır.

Frekans Tuning ve Off-Tuning Effects

Optimal performans, TMD'nin tam olarak binadaki temel sway frekansına ayarlanması gerekir. Bu frekans sıcaklık, nem ve hatta ccupancy yükleri ile biraz hızlanır, bu nedenle mühendisler TMD'leri bazı ayarlama kabiliyeti ile tasarlar - ya da topun bozulmasıyla veya otomatik olarak ayarlarlarsa, bir TMD birkaçı “karşıt” olarak adlandırılır.

Bir başka kritik faktör TMD ve bina arasındaki kütle oranıdır. Büyük TMD kitleler daha fazla baraj sağlar ancak aynı zamanda rüzgar tüneli testlerine göre% 0.5 oranında daha iyi bir şekilde azaltılabilir. Örneğin, 660-ton TMD, Taipei 101'de daha fazla uzay ve yapısal güçlendirme sağlar.

Tuned Mass Dampers'ın Anahtar Faydaları

Binadaki açık azaltımının ötesinde TMD'ler, süpertall inşaat için tercih edilen bir çözüm sağlayan birkaç mühendislik ve ekonomik avantaj sunuyor.

Geliştirilmiş Occupant Comfort

Hareketin insan algısı hassastır: 5 ila 10 mili-g (% 0.5'e göre yerçekimi) rahatsızlık, kaygı veya hareket hastalığına neden olabilir. Yüksek rüzgarlardaki uzun binalar kolayca bu eşleri geçebilir. TMD'ler kabul edilebilir sınırlar içinde hızlanır. Örneğin, Tyon Soudelor Taipei 2015 yılında Taipei 101 TMD, yüksek zemin hızlarını azaltır, diğer birçok binada yaşayan ağır sway'i rahat tutar.

Yapısal Güvenlik ve Şerhi Direniş

Tekrarlanan rüzgar-indüklenmiş sway, özellikle Güney Çin kıyıları veya Karayipler gibi binalar için toplu yorgunluk zararlarına neden olabilir. TMDs ayrıca binanın hizmet ömrünü uzatıyor ve daha verimli yapısal sistemlere sahip olma olasılığını azaltır.

Tasarım Flexability

TMD olmadan, bir binanın yüksekliği doğal frekansı ve barajı ile sınırlıdır. Binalar yüksek seslenici hale gelir, rüzgarın excitation. TMDs mimarlara ve yapısal mühendislere, pahalıya mal olacak olan zemin alanı azaltabilme özgürlüğü verir. Örneğin, Shanghai Tower (632 m) büyük bir 1000-ton TMD'yi kabul edilebilir bir rüzgar performansına sahip olmak için kullanır; olmadan kule önemli ölçüde daha yapısal malzeme verir ve pahalı zemini azaltılabilir zemin alanı azaltacaktır.

Ayrıca, TMD'ler cesur mimari formlara izin verir - yanı sıra, aksanmış, kasetli veya asimetrik şekiller - aksi takdirde sorunlu rüzgar yüklemesinden muzdarip olacaktır. New York'taki 432 Park Avenue kulesi kısmen TMD benzeri elementler içeren bir alışkanlık haline getirilir.

Binanın Hayatı Üzerinde Maliyet Verimliliği

TMD'nin yük maliyetleri –% 2 milyon dolar daha düşük bir yüksek hava için, karmaşık ve kitlesel olarak maliyetlerin azaltılmasına bağlı olarak, bu maliyetler birkaç olası iş kesintisi ile dengelenir: TMD'ler, gerekli yapısal çelik tonajı% 10 ila% 15'e kadar azaltır, çünkü daha düşük yüksek rüzgar yükü daha hafif bir şekilde kesintiye uğramaya ve onarıma izin verir.

TMD-onlu Binaların Örnekleri

Dünyanın en yüksek kulelerinin çoğu TMD'nin hem işlevsel sistemler hem de mimari ifadeler olarak sergilemektedir. Aşağıda, TMD uygulamaları çeşitli gösteren önemli örnekler bulunmaktadır.

Taipei 101 (Taipei, Tayvan)

2004 yılında Tamamlanan Taipei 101, dünyanın en yüksek binasıydı 2010 yılına kadar 660-metrik-ton TMD, gözlem güvertedeki ziyaretçileri de görünür hale getiriyor. TMD, çelik kablolar tarafından askıya alındı ve hidrolik şok emicileri bina kimliğine entegre edebilir.

Shanghai Tower (Shanghai, Çin)

632-meter Shanghai Tower dünyanın en ağır TMD'sini sunuyor: kulenin en üst kısmında özel olarak tasarlanmış 6 katlı konutta oturuyor.Bu TMD, elektromagnets tarafından kontrol edilen eddy-şimdilik bir baraj kullanır, bina lüks otel ve ofis alanları için özel olarak tasarlanmış 6 katlı konutta oturuyor.

Bir Dünya Ticaret Merkezi (New York City, USA)

541-meter One WTC, hem rüzgar hem de sismik olaylarda sway ile birlikte yapılan büyük bir dalgalama sistemi ile bir araya gelir.

Burj Khalifa (Dubai, UAE)

828 metrede Burj Khalifa, rüzgarın yönlendirmesine karşı bir hibrit barajı kullanıyor. Sistem çölün olağanüstü rüzgar olaylarıyla başa çıkmak için tasarlanmıştır, yolcuların için kırılgan seviyeleri etkili bir şekilde azaltır.

Diğer Notable Installations

Küçük ama yine de dikkat çekici TMD tesisatları, 1978 yılında kurulan basit bir aktif kitle demper sistemi ile inşa edildi, John Hancock Center (Chicago), ve Millennium Bridge (London), New York'ta Citicorp Center, başlangıçta yüksek binalarda standart bir uygulama ile gelişti.

TasarımDüşündürmeler ve Zorluklar

TMD'ler son derece etkili olsa da, tasarım ve kurulumları dikkatle ele alınması gereken birkaç mühendislik zorluklarını içerir.

Uzay ve Mimari Bütünleşme

Bir TMD, açık bir uzay hacmi gerektirir - birkaç hikaye yüksek - hareketi aralığına izin vermek. pendulum tasarımları, kitle daha sonra 2 metreye kadar ya da daha fazlaya kadar sallayabilmeli. Bu alan ofisler veya konutlar için kullanılabilir, bu yüzden genellikle mekanik zeminlere, gözlem güvertelere veya yapısal çatı bölgelerine tahsis edilmelidir. Bazı mimarlar, Taipei 101'in arkasındakiler gibi, bu alanı ziyaretçi deneyimine entegre edebilir.

Rüzgar Tüneli Test ve Gürültülü Hassasiyet

TMD'nin ayar parametreleri – kistler, sertlik ve damping katları – bina ve çevresinin ölçeklendirilmiş modelleri ile geniş rüzgar tünel testleriyle belirlenmelidir.Bu testler yerel rüzgar iklimi taklit eder, komşu kuleler ve topografiden kaynaklanan etkiler bile.Eğer küçük bir hata %20 veya daha fazla inşaat mühendisleri de binadaki frekans geçişleri azaltılabilir.

Bakım ve Güvenilirlik

Pasif TMD'ler nispeten küçük bakım gerektirir (örneğin, kabloların incelenmesi ve mühürlerin değiştirilmesi), sürekli olarak çalışır ve binanın yaşamı boyunca milyonlarca döngüye dayanmalıdır. ilkbahar veya barajların başarısızlığı, bu maliyetler sırasında binayı terk edebilir.

Maliyet Ticaret-Offs

TMD'nin ön maliyeti, toplam proje maliyetinin% 0.1'inden% 0.5'e kadar değişebilir. Bazı durumlarda, mühendisler daha iyi bir maliyet tasarrufu sağlayan alternatif bir baraj sistemi seçebilirler.

Alternatifler ve Tamamlayıcı Sistemler

Tuned kitle demperleri rüzgar kaynaklı hareketi yönetmek için tek araçtır. Mühendisler sık TMD'leri en iyi performans elde etmek için diğer pasif ve aktif sistemlerle birleştirir.

Viscous Dampers

Bu sıvı dolu cihazlar, petrolü yüksek basınçta küçük veya harikalar yoluyla hareket etmeye direnir, ancak genellikle binadaki şişeleri (köpektif barajları) veya aşırı uçlu kuleler bir kombinasyon kullanabilir: outrigger vius dampersforlar için merkezileştirilmiş TMD'den daha ucuz ve daha az alan-i yoğun olabilir, ancak sadece yerelleştirilmiş barajlar sağlar ve binadaki üstte etkili bir şekilde karşılanmazlar.

Aktif Kitle Dampers (AMD)

Bir AMD TMD gibidir, ancak bir eylemci (hipdraulic veya elektrik) ile, aktif olarak gerçek zamanlı sensör okumalarına dayanan en iyi yöne doğru koşarlar. AMDs'in 60 katlı Tokyo Şehir Salonu ve 75 katlı Trump International Hotel'i içerir - ancak güç, kontrol yazılımı ve bakım gerektirir.

Dağıtılmış Damping Sistemleri

Tek büyük bir kütleden ziyade, bazı binalar, bina boyunca dağınık olan çok daha küçük TMD'ler kullanıyor. Bu yaklaşım, yüksek katlarda büyük bir mekanik zemine ihtiyacı giderek azaltıyor. Örneğin, Eiffel Kulesi başlangıçta performanslarını korumak için birkaç küçük pendulum barajla yeniden donatıyordu.

Base Isolation and Seismic Dampers

Depremler için öncelikle kullanılmış olsa da, bazı temel izolasyon sistemleri aynı tasarımda binaların üst kısmında rüzgar kaynaklı hareketi azaltır - hem rüzgar hem de deprem talepleri arasında genellikle uygun değildir.

TMD Teknolojide Geleceği Geliştirme

Binalar yüksekliğe ve hoşgörü içinde büyümeye devam ettikçe, araştırmacılar TMD'leri daha verimli, daha ucuz ve entegre etmek için birkaç yenilik keşfediyorlar.

Semi-Active ve Smart TMDs

Semi-aktif TMD'ler, bina doğal frekansı sürüklenme parametrelerini ayarlamak için sensörleri ve mikrokontrolleri kullanır (örneğin, bir viskous barajında veya büyük bir güç tedariki olmadan) büyük bir enerji tedarikini gerektirmez. Bu sistemler, binanın doğal frekansının sürüklenmelerini sağlamak için rüzgar koşullarını değiştirebilir.Bazı prototipler şu anda Japonya'da test edilir ve aşırı uçlu havalimanları[FLT 1: 1, seçtiğimiz anda bir manyetik alanda viskobu değişimi değiştirir.

Low-Cost, Yüksek Boyutlu Malzeme

Geleneksel TMDs, çelik veya betonu kütle olarak kullanıyor, ancak mühendisler bina geometrisine mükemmel bir şekilde entegre edilen yüksek seviyeli malzemelerle deneyiyorlar, aynı inertiayı daha küçük bir hacimde elde etmek için TMD maliyetleri azaltıp, binadaki tüm yükler için (20-40 hikayeler) daha önce maliyetleri haklı çıkarabilirler.

Dijital Twins ile Hibrit Sistemler

Dijital ikiz[DÜT:0)) teknolojisi ile, bina yöneticileri şimdi, davranışlarını simüle eden ve bakım ihtiyaçlarını tahmin eden TMD'lerin sanal kopyalarını oluşturabilir. Sensörler, bir bulut tabanlı platformda çalışan bir modele beslemeli ve yapı beslemeli. Dijital ikiz, performans bozulmalarına neden oluyor veya ayarlayabiliyor.Bu tahmin edici bakım yaklaşımının düşük maliyetli bir şekilde azaltımı azaltır ve TMD'nin etkili hizmetini genişletir.

Yenilenebilir Enerji Hasat Edilmesi ile entegrasyon

Bazı araştırmacılar TMD hareketinin kinetik enerjisini yakalamanın yollarını araştırıyor ve bunu doğrusal jeneratörler veya pastazoelektrik cihazları kullanarak elektrik haline getiriyorlar. Enerji çıktısı bir binanın toplam tüketimine göre küçük olsa da, barajın sensörlerine, kontrol sistemlerine, hatta birkaç deneysel bina bu konsepti kullanarak elektrikle dönüştürebiliyordu.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Tuned kitle demperleri kendilerini yapısal mühendisin cephaneliğinden dolayı, rüzgar kaynaklı bina paktını azaltmak için kendilerini kanıtlamıştır.Hazırdaklı binalarda hızlanan, daha düşük yapısal yükler ve modern yolcu konforlarının yeteneklerini doğrudan her zaman renkli binalara katkıda bulundu.

Kentsel popülasyonlar büyüdükçe ve gayrimenkul talep yüksekliğe kadar inşa etmeye zorlanırken, TMD'lerin önemi sadece yarı aktif kontrol, akıllı malzemeler ve dijital entegrasyon söz konusu, inşaatın ilk uzun gül kulesinin üzerindeki yüksek performanslı bir şekilde adapte edilmesi söz konusu.

Bina sahipleri, geliştiriciler ve tasarımcılar için, TMD'yi dahil etmek sadece bir mühendislik gerekliliği değildir - binanın uzun ömürlü, pazarlanabilirliği ve dayanıklılığında stratejik bir yatırımdır.

[FONT:0] TMD'lerin mekaniklerini ve bina tasarımı üzerindeki etkilerini okumak için, [FONTD:0)Structural Engineering Handbook) ve Uzun Binalarda Konsey (Küresel Binalar ve Şehir Habitatı)Wind Mühendislik[DÜye Olmayanlar İçin Etkisi).