Un amortiguador de masa sintonizado ( TMD ), también conocido como absorbedor de armónicos o amortiguador sísmico , es un dispositivo montado en estructuras para reducir las vibraciones mecánicas , que consiste en una masa montada sobre uno o más resortes amortiguados . Su frecuencia de oscilación está sintonizada para que sea 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 totales . Se utilizan con frecuencia en transmisiones de energía, automóviles y edificios.
Los amortiguadores de masa sintonizados 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 sus vibraciones en el peor de los casos sean menos intensas. En términos generales, los sistemas prácticos se sintonizan 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 esto último es un amortiguador de torsión del 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 automóvil .
Dado un motor con masa m 1 unido al suelo mediante soportes de motor, el motor vibra mientras funciona y los soportes de motor blandos actúan como un resorte y amortiguador paralelos, 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 a medida que el motor funciona en un rango de velocidades, una masa más pequeña, m 2 , está conectada 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.
El gráfico muestra el efecto de un amortiguador de masa ajustado en un sistema simple de resorte-masa-amortiguador, excitado por vibraciones con una amplitud de una unidad de fuerza aplicada a la masa principal, m 1 . Una medida importante del rendimiento es la relación entre la fuerza sobre los soportes del motor y la fuerza que hace vibrar el motor,O 0/F1 . 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 soportes del motor. La línea azul representa el sistema de referencia, con una respuesta máxima de 9 unidades de fuerza a alrededor de 9 unidades de frecuencia. La línea roja muestra el efecto de agregar una masa ajustada 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 referencia a frecuencias inferiores a aproximadamente 6 y superiores a aproximadamente 10.
Las alturas de los dos picos se pueden ajustar modificando la rigidez del resorte en el amortiguador de masa ajustado. Al modificar la amortiguación también se modifica la altura de los picos, de una manera compleja. La división entre los dos picos se puede modificar modificando la masa del amortiguador ( m 2 ).
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 referencia ( m 2 = 0). Ahora, considerando m 2 = m1/10 , 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 gráfico 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 que alrededor de 9,5 Hz está 180° desfasado con m 1 , maximizando el efecto amortiguador 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 que los soportes del motor.
El amortiguador de masa sintonizada fue introducido como parte del sistema de suspensión por Renault en su monoplaza de F1 de 2005 (el Renault R25 ), en el Gran Premio de Brasil de 2005. Según se informa, el sistema 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 esa decisión.
Dos semanas después, el Tribunal Internacional de Apelaciones de la FIA consideró ilegal el amortiguador de masa. [2] [3] Se consideró ilegal porque la masa no estaba unida rígidamente al chasis; la influencia que tenía el amortiguador en la actitud de cabeceo del coche a su vez afectaba al espacio debajo del coche y a los efectos del suelo del coche. Como tal, el amortiguador se consideró un dispositivo aerodinámico móvil y, por lo tanto, una influencia ilegal en el rendimiento de la aerodinámica .
Los amortiguadores de masa calibrados se utilizan ampliamente en los 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 los 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 automóviles modernos tendrán un amortiguador de masa y algunos pueden tener diez o más.
El diseño habitual del amortiguador en el cigüeñal consiste en una fina banda de goma entre el cubo de la polea y el borde exterior. Este dispositivo, a menudo llamado amortiguador armónico , se ubica en el otro extremo del cigüeñal, opuesto a donde se encuentran el volante y la transmisión. Un diseño alternativo es el amortiguador de péndulo centrífugo que se utiliza para reducir las vibraciones torsionales del motor de combustión interna .
Las cuatro ruedas del Citroën 2CV incorporaban un amortiguador de masa calibrado (denominado "Batteur" en el original francés) de diseño muy similar al utilizado en el coche Renault F1, desde el inicio de la producción en 1949 en las cuatro ruedas, antes de ser eliminado de las ruedas traseras y finalmente de las delanteras a mediados de la década de 1970.
El amortiguador de masa sintonizado se utiliza ampliamente como método para agregar amortiguación a los puentes. Un caso de uso para los amortiguadores de masa sintonizados en puentes es evitar grandes vibraciones debido a la resonancia con cargas peatonales. [5] Al agregar un amortiguador de masa sintonizado, se agrega amortiguación a la estructura, lo que hace que la vibración de la estructura se reduzca ya que la amplitud del estado estable de vibración es inversamente proporcional a la amortiguación de la estructura. [6]
Una propuesta para reducir la vibración en el cohete 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 g a 0,25 g , siendo los TMD responsables de la reducción de 1 g a 0,25 g , y el resto lo hacen los aisladores de vibración convencionales entre las etapas superiores y el cohete. [7] [8]
Las líneas de alta tensión a menudo tienen pequeños amortiguadores Stockbridge con forma de barra que cuelgan de los cables para reducir la oscilación de alta frecuencia y baja amplitud denominada aleteo . [9] [10]
Un amortiguador de masa sintonizado estándar para turbinas eólicas consta de una masa auxiliar que se fija a la estructura principal mediante resortes y elementos amortiguadores. La frecuencia natural del amortiguador de masa sintonizado se define básicamente por su constante de resorte y la relación de amortiguamiento 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 colgada debajo de la góndola de una turbina eólica sostenida por amortiguadores o placas de fricción. [ cita requerida ]
Cuando se instalan en edificios, los amortiguadores suelen ser enormes bloques de hormigón o cuerpos de acero montados en rascacielos u otras estructuras, que se mueven en oposición a las oscilaciones de frecuencia de resonancia de la estructura por medio de resortes , fluidos o péndulos.
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 incómoda.
Las ondas sísmicas provocadas por un terremoto harán que los edificios se balanceen y oscilen de diversas formas dependiendo de la frecuencia y dirección del movimiento del suelo , y de la altura y construcción del edificio. La actividad sísmica puede causar oscilaciones excesivas del edificio que pueden provocar un fallo estructural . Para mejorar el rendimiento sísmico del edificio , se realiza un diseño de construcción adecuado que involucra varias tecnologías de control de vibración sísmica . 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 el daño sísmico a los edificios. De hecho, los primeros dispositivos de amortiguación especializados para terremotos no se desarrollaron hasta fines de 1950. [11]
Masas de personas subiendo y bajando escaleras al mismo tiempo, o grandes cantidades de personas pisando fuerte al unísono, pueden causar serios problemas en estructuras grandes como estadios si dichas estructuras carecen de medidas de amortiguación.
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 ser en forma de balanceo o torsión, y puede hacer que los pisos superiores de dichos edificios se muevan. Ciertos ángulos del viento y las propiedades aerodinámicas de un edificio pueden acentuar el movimiento y causar mareos en las personas. Un TMD generalmente está ajustado a la frecuencia de resonancia de su edificio para funcionar de manera eficiente. Sin embargo, durante su vida útil, los edificios altos y esbeltos pueden experimentar cambios naturales en la frecuencia de resonancia debido a la velocidad del viento, la temperatura ambiente y las variaciones de humedad relativa, entre otros factores, lo que requiere un diseño de TMD robusto.
{{cite book}}: CS1 maint: others (link)Se colocaron dos amortiguadores de masa sintonizados de 250 toneladas a la altura del pecho para controlar el balanceo en caso de fuertes vientos.
Para detener cualquier balanceo de una estructura tan alta, se han utilizado dos amortiguadores de masa sintonizados de 250 toneladas cada uno.
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