In tegenstelling tot veel dodelijke natuurkrachten treffen aardbevingen bijna altijd zonder waarschuwing. Deze destructieve en verwoestende krachten kunnen steden binnen enkele seconden omverwerpen en puin en tragedie achterlaten. Gelukkig heeft de techniek de oproep beantwoord met de afgestelde massademper .

Hoewel de meeste aardbevingen slechts kleine bevingen zijn, is er slechts één nodig om miljoenen dollars aan materiële schade en duizenden doden te veroorzaken. Om deze reden blijven wetenschappers nieuwe technologieën nastreven om de vernietiging die aardbevingen kunnen veroorzaken te beperken.

1. Hoe afgestemde massadempers werken
2. De rol van magentorheologische vloeistof
3. Wat is MR-vloeistof
4. Hoe MR-vloeistof werkt
5. Gebouwen en bruggen
6. Typen dempingssysteem
7. Hoe een MR-vloeistofdemper werkt

Hoe afgestemde massadempers werken

Gezien de aanzienlijke dreiging die aardbevingen vormen, vooral voor torenhoge wolkenkrabbers en lange bruggen, is er veel energie en moeite gestoken in de ontwikkeling van oplossingen die de gewelddadige energie die vrijkomt tijdens seismische gebeurtenissen kunnen verdrijven. Eén van die innovatieve oplossingen is de Tuned Mass Damper (TMD).

Een TMD is een apparaat dat een afgestemde massa gebruikt om de trillingen van een constructie tegen te gaan. Door dit te doen absorbeert en verspreidt het de energie die anders schade of vernietiging zou kunnen veroorzaken.

Stel je een kind voor dat op een schommel zit. Als je op de schommel drukt, begint deze heen en weer te bewegen. Als u nu opnieuw probeert de schommel te duwen, maar op een moment dat deze weer naar u toe komt, wordt de beweging van de schommel verstoord. Dit is het basisprincipe achter TMD's. De essentiële dempingsapparaten zijn ontworpen om tijdens een aardbeving tegen de beweging van de constructie te "duwen", waardoor de trillingen worden verminderd.

Een betrouwbaar afgestemd massadempersysteem is essentieel, maar er schuilt meer magie in de techniek van deze apparaten, waaronder de innovatieve 'slimme vloeistof' die bij de professionals bekend staat als MR.

De rol van magentorheologische vloeistof

Een groot deel van de effectiviteit van massadempers is een unieke stof die magnetorheologische vloeistof (MR-vloeistof) wordt genoemd. Deze vloeistof wordt gebruikt in grote dempers om gebouwen tijdens aardbevingen te stabiliseren. MR-vloeistof is een vloeistof die verandert in een bijna vaste stof wanneer deze wordt blootgesteld aan een magnetische kracht, en vervolgens weer vloeibaar wordt zodra de magnetische kracht wordt opgeheven.

Tijdens een aardbeving zal de MR-vloeistof in de dempers veranderen van vast naar vloeibaar en terug, omdat trillingen een magnetische kracht in de demper activeren. Door deze dempers in gebouwen en op bruggen te gebruiken, ontstaan ​​slimme constructies die automatisch reageren op seismische activiteit.

Hierdoor wordt de schade veroorzaakt door aardbevingen beperkt. In deze editie van How Stuff WILL Work leert u meer over MR-vloeistof en het vermogen ervan om van toestand te veranderen. We zullen ook kijken hoe gebouwen, nieuw en oud, kunnen worden omgezet in slimme structuren.

Wat is MR-vloeistof

Als je het in een bekerglas bekijkt, lijkt MR-vloeistof niet zo'n revolutionaire substantie. Het is een grijze, olieachtige vloeistof die ongeveer drie keer dichter is dan water. Op het eerste gezicht is het niet zo spannend, maar MR-vloeistof is eigenlijk best verbazingwekkend om in actie te zien.

Een eenvoudige demonstratie door David Carlson, een natuurkundige in het laboratorium in North Carolina, toont aan dat de vloeistof in milliseconden in een vaste stof kan veranderen. Hij giet de vloeistof in het kopje en roert het rond met een potlood om aan te geven dat het vloeibaar is. Vervolgens plaatst hij een magneet op de bodem van de beker, en de vloeistof verandert onmiddellijk in een bijna vaste stof. Om verder aan te tonen dat het een vaste stof is geworden, houdt hij de beker ondersteboven, en er druppelt geen MR-vloeistof uit.

Typische MR-vloeistof bestaat uit deze drie delen:

• Carbonyl-ijzerdeeltjes -- 20 tot 40 procent van de vloeistof bestaat uit deze zachte ijzerdeeltjes met een diameter van slechts 3 tot 5 micrometer. Een pakje droge carbonylijzerdeeltjes ziet eruit als zwarte bloem omdat de deeltjes zo fijn zijn.
• Een dragervloeistof -- De ijzerdeeltjes worden gesuspendeerd in een vloeistof, meestal koolwaterstofolie. Bij het aantonen van de vloeistof wordt vaak water gebruikt.
• Gepatenteerde additieven -- Het derde bestanddeel van MR-vloeistof is geheim, maar Lord zegt dat deze additieven worden toegevoegd om de zwaartekrachtbezinking van de ijzerdeeltjes tegen te gaan, de deeltjessuspensie te bevorderen, de smering te verbeteren, de viscositeit te wijzigen en slijtage te remmen.

Hoe MR-vloeistof werkt

Wat geeft MR-vloeistof zijn unieke vermogen om sneller van vloeistof naar vast en van vast naar vloeistof te transformeren dan je met je ogen kunt knipperen? De carbonylijzerdeeltjes. Wanneer een magneet op de vloeistof wordt aangebracht, komen deze kleine deeltjes op één lijn te staan, waardoor de vloeistof verstijft tot een vaste stof. Dit wordt veroorzaakt door het magnetische gelijkstroomveld, waardoor de deeltjes zich in een uniforme polariteit vastzetten. Hoe hard de stof wordt, hangt af van de sterkte van het magnetische veld. Haal de magneet weg en de deeltjes ontgrendelen onmiddellijk.

Hoewel wetenschappers onlangs veel nieuwe toepassingen voor MR-vloeistof hebben ontdekt, bestaat het feitelijk al meer dan 50 jaar. Jacob Rabinow wordt gecrediteerd voor het ontdekken van MR-vloeistof in de jaren veertig toen hij werkte bij het Amerikaanse National Bureau of Standards (nu het National Institute of Standards and Technology).

Tot ongeveer 1990 waren er weinig toepassingen voor MR-vloeistof omdat er geen manier was om deze goed te controleren. Tegenwoordig zijn er digitale signaalprocessors en snelle, goedkope computers die het magnetische veld dat op de vloeistof wordt toegepast, kunnen controleren. Toepassingen voor deze technologie zijn onder meer Nautilus-oefenapparatuur, dempers voor kledingwasmachines, schokdempers voor auto's en geavanceerde beenprothesen.

In het volgende gedeelte zullen we kijken naar de seismische toepassingen van deze MR-technologie, die mogelijk de grootste impact hebben op het redden van levens en het voorkomen van het instorten van gebouwen.

Aardbevingen in het nieuws

Gebouwen en bruggen

Hoge gebouwen, lange viaducten en voetgangersbruggen zijn gevoelig voor resonantie veroorzaakt door harde wind en seismische activiteit. Om het resonantie-effect te verzachten, is het belangrijk om grote dempers in het ontwerp in te bouwen om de resonante golven te onderbreken. Als deze apparaten niet op hun plaats zijn, kunnen sterke staalconstructies zoals gebouwen en bruggen op de grond worden geschud, zoals te zien is telkens wanneer er een aardbeving plaatsvindt.

Dempers worden gebruikt in machines die u waarschijnlijk dagelijks gebruikt, waaronder auto-ophangsystemen en kledingwasmachines. Als je het How Stuff Works-artikel over wasmachines bekijkt, zul je leren dat dempingssystemen wrijving gebruiken om een ​​deel van de kracht van mechanische trillingen te absorberen.

Typen dempingssysteem

Een dempingssysteem in een gebouw is veel groter en is ook ontworpen om trillingen te beheersen en de hevige schokken van een aardbeving te absorberen. De grootte van de dempers is afhankelijk van de grootte van het gebouw. Er zijn drie classificaties voor dempingssystemen:

• Passief - Dit is een ongecontroleerde demper, waarvoor geen ingangsvermogen nodig is om te werken. Ze zijn eenvoudig en over het algemeen goedkoop, maar kunnen zich niet aanpassen aan veranderende behoeften.
• Actief -- Actieve dempers zijn krachtgeneratoren die actief op de constructie drukken om een ​​verstoring tegen te gaan. Ze zijn volledig controleerbaar en vereisen veel kracht.
• Semi-actief - Combineert kenmerken van passieve en actieve demping. In plaats van tegen de structuur te duwen, gaan ze de beweging tegen met een gecontroleerde weerstandskracht om de beweging te verminderen. Ze zijn volledig controleerbaar en vereisen toch weinig ingangsvermogen. In tegenstelling tot actieve apparaten hebben ze niet het potentieel om uit de hand te lopen en de structuur te destabiliseren. MR-vloeistofdempers zijn semi-actieve apparaten die hun dempingsniveau wijzigen door de hoeveelheid stroom te variëren die wordt geleverd aan een interne elektromagneet die de stroom van MR-vloeistof regelt.

Hoe een MR-vloeistofdemper werkt

In de MR-vloeistofdemper is een elektromagnetische spoel rond drie delen van de zuiger gewikkeld. Er wordt ongeveer 5 liter MR-vloeistof gebruikt om de hoofdkamer van de seismische demper te vullen. Tijdens een aardbeving geven sensoren die aan het gebouw zijn bevestigd een signaal aan de computer om de dempers van elektrische lading te voorzien. Deze elektrische lading magnetiseert vervolgens de spoel, waardoor de MR-vloeistof van een vloeistof in een bijna vaste stof verandert.

Nu zal de elektromagneet waarschijnlijk pulseren terwijl de trillingen door het gebouw rimpelen. Deze trilling zorgt ervoor dat de MR-vloeistof duizenden keren per seconde verandert van vloeistof in vaste stof, en kan ervoor zorgen dat de temperatuur van de vloeistof stijgt. Een accumulator voor thermische expansie is aan de bovenkant van het demperhuis bevestigd om de uitzetting van de vloeistof mogelijk te maken wanneer deze opwarmt. Deze accumulator voorkomt een gevaarlijke drukstijging als de vloeistof uitzet.

Afhankelijk van de grootte van het gebouw kan er sprake zijn van een reeks van mogelijk honderden dempers. Elke demper zou op de vloer zitten en worden bevestigd aan de chevronbeugels die in een stalen dwarsbalk zijn gelast.

Als het gebouw begint te trillen, bewegen de dempers heen en weer om de trilling van de schok te compenseren. Wanneer het gemagnetiseerd is, vergroot de MR-vloeistof de hoeveelheid kracht die de dempers kunnen uitoefenen.

Veel meer informatie

Artikelen over hoe dingen werken

• Hoe aardbevingen werken
• Hoe bruggen werken
• Hoe werkt een seismograaf? Wat is de schaal van Richter?
• Het gebruik van gigantische kogellagers om aardbevingen te weerstaan
• Hoe dingen ZULLEN werken

Andere interessante links

• De MR Fluid-site van Lord Corp
• Structurele dynamiek en controle / Laboratorium voor aardbevingstechniek
• VS Panel over onderzoek naar structurele controle
• Aardbevingstechnisch onderzoek - Universiteit van Californië, Berkeley
• John A. Blume Aardbevingstechnisch Centrum
• Cal Tech's onderzoekslaboratorium voor aardbevingstechniek
• Opbouw van de Seismische Veiligheidsraad
• Oefeningsapparatuur werkt op magnetorheologische remmen
• Magnetisch veld verandert de viscositeit van vloeistoffen
• Nationaal Informatiecentrum voor aardbevingen
• Multidisciplinair Centrum voor Aardbevingstechnisch Onderzoek
• UC Berkeley seismologisch laboratorium
• Centrum voor onderzoek en informatie over aardbevingen
• Seismologisch laboratorium in Nevada
• Magnetisme om gebouwen te redden bij aardbevingen
• De trillingen van de aardbeving temmen