Contrairement à de nombreuses forces mortelles de la nature, les tremblements de terre surviennent presque toujours sans avertissement. Ces forces destructrices et dévastatrices peuvent renverser des villes en quelques secondes, laissant derrière elles des décombres et des tragédies. Heureusement, l'ingénierie a répondu à l'appel avec l'amortisseur de masse optimisé. .
Bien que la plupart des tremblements de terre ne soient que de petites secousses, il suffit d’une seule pour causer des millions de dollars de dégâts matériels et des milliers de morts. Pour cette raison, les scientifiques continuent de rechercher de nouvelles technologies pour limiter les destructions que les tremblements de terre peuvent provoquer.
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Compte tenu de la menace importante que représentent les tremblements de terre, en particulier pour les gratte-ciel imposants et les ponts à longue portée, beaucoup d'énergie et d'efforts ont été consacrés au développement de solutions capables de dissiper l'énergie violente libérée lors d'événements sismiques. L'une de ces solutions innovantes est l'amortisseur de masse accordé (TMD).
Un TMD est un dispositif qui utilise une masse réglée pour contrecarrer les oscillations d'une structure. Ce faisant, il absorbe et dissipe l'énergie qui pourrait autrement causer des dommages ou une destruction.
Imaginez un enfant sur une balançoire. Si vous poussez la balançoire, elle commence à bouger d'avant en arrière. Or, si vous essayez à nouveau de pousser la balançoire mais à un moment où elle revient vers vous, le mouvement de la balançoire est perturbé. C’est le principe de base des TMD. Les dispositifs d'amortissement essentiels sont conçus pour « pousser » contre le mouvement de la structure lors d'un tremblement de terre, réduisant ainsi les oscillations.
Un système d'amortisseur de masse fiable et réglé est essentiel, mais il y a plus de magie dans l'ingénierie de ces dispositifs, y compris le « fluide intelligent » innovant connu des professionnels sous le nom de MR.
Une grande partie de l’efficacité des amortisseurs de masse réside dans une substance unique appelée fluide magnétorhéologique (fluide MR). Ce fluide est utilisé à l’intérieur de grands amortisseurs pour stabiliser les bâtiments lors de tremblements de terre. Le fluide MR est un liquide qui se transforme en quasi-solide lorsqu'il est exposé à une force magnétique, puis redevient liquide une fois la force magnétique supprimée.
Lors d'un tremblement de terre, le fluide MR à l'intérieur des amortisseurs passera de solide à liquide et inversement lorsque les tremblements activeront une force magnétique à l'intérieur de l'amortisseur. L'utilisation de ces amortisseurs dans les bâtiments et sur les ponts créera des structures intelligentes qui réagiront automatiquement à l'activité sismique.
Cela limitera l’ampleur des dégâts causés par les tremblements de terre. Dans cette édition de How Stuff WILL Work, vous en apprendrez davantage sur le fluide MR et sa capacité à changer d'état. Nous examinerons également comment les bâtiments, nouveaux et anciens, peuvent être transformés en structures intelligentes.
En le regardant dans un bécher, le fluide MR ne semble pas être une substance si révolutionnaire. C'est un liquide gris et huileux environ trois fois plus dense que l'eau. Ce n'est pas très excitant à première vue, mais le fluide MR est en fait assez étonnant à regarder en action.
Une simple démonstration de David Carlson, physicien au laboratoire de Caroline du Nord, montre la capacité du liquide à se transformer en solide en quelques millisecondes. Il verse le liquide dans la tasse et le remue avec un crayon pour montrer qu'il est liquide. Il place ensuite un aimant au fond de la tasse et le liquide se transforme instantanément en un quasi-solide. Pour démontrer davantage qu'il s'est transformé en solide, il tient la tasse à l'envers et aucun liquide MR ne tombe.
Le fluide MR typique se compose de ces trois parties :
Alors, qu’est-ce qui donne au fluide MR sa capacité unique à se transformer de liquide en solide et de solide en liquide plus rapidement que vous ne pouvez cligner des yeux ? Les particules de fer carbonyle. Lorsqu’un aimant est appliqué sur le liquide, ces minuscules particules s’alignent pour rigidifier le fluide et le transformer en solide. Ceci est causé par le champ magnétique continu, qui fait que les particules se verrouillent dans une polarité uniforme. La dureté de la substance dépend de la force du champ magnétique. Retirez l'aimant et les particules se déverrouillent immédiatement.
Même si les scientifiques ont récemment découvert de nombreuses nouvelles applications pour le fluide MR, celui-ci existe en réalité depuis plus de 50 ans. Jacob Rabinow est reconnu pour avoir découvert le fluide MR dans les années 1940 alors qu'il travaillait au Bureau national des normes des États-Unis (aujourd'hui l'Institut national des normes et de la technologie).
Jusque vers 1990, les applications du fluide MR étaient rares car il n'existait aucun moyen de le contrôler correctement. Aujourd’hui, il existe des processeurs de signaux numériques et des ordinateurs rapides et bon marché capables de contrôler le champ magnétique appliqué au fluide. Les applications de cette technologie incluent les équipements d'exercice Nautilus, les amortisseurs de machines à laver les vêtements, les amortisseurs pour voitures et les prothèses de jambe avancées.
Dans la section suivante, nous examinerons les applications sismiques de cette technologie RM, qui pourraient avoir le plus grand impact pour sauver des vies et prévenir l'effondrement de bâtiments.
Les tremblements de terre dans l'actualité
Les immeubles de grande hauteur, les longs viaducs et les ponts piétonniers sont sensibles à la résonance créée par les vents violents et l'activité sismique. Afin d’atténuer l’effet de résonance, il est important d’intégrer de grands amortisseurs dans leur conception pour interrompre les ondes résonantes. Si ces dispositifs ne sont pas en place, les structures en acier solides comme les bâtiments et les ponts peuvent être ébranlées, comme c'est le cas à chaque tremblement de terre.
Les amortisseurs sont utilisés dans les machines que vous utilisez probablement tous les jours, notamment les systèmes de suspension de voiture et les machines à laver les vêtements. Si vous jetez un œil à l'article How Stuff Works sur les machines à laver, vous apprendrez que les systèmes d'amortissement utilisent la friction pour absorber une partie de la force des vibrations mécaniques.
Un système d’amortissement dans un bâtiment est beaucoup plus grand et est également conçu pour contrôler les vibrations et absorber les chocs violents d’un tremblement de terre. La taille des registres dépend de la taille du bâtiment. Il existe trois classifications pour les systèmes d'amortissement :
À l’intérieur de l’amortisseur à fluide MR, une bobine électromagnétique est enroulée autour de trois sections du piston. Environ 5 litres de fluide MR sont utilisés pour remplir la chambre principale de l'amortisseur sismique. Lors d'un tremblement de terre, des capteurs fixés au bâtiment signaleront à l'ordinateur d'alimenter les registres avec une charge électrique. Cette charge électrique magnétise ensuite la bobine, transformant le fluide MR d'un liquide à un quasi-solide.
Désormais, l’électro-aimant émettra probablement des impulsions à mesure que les vibrations se répercuteront dans le bâtiment. Cette vibration fera passer le fluide MR de liquide à solide des milliers de fois par seconde et peut entraîner une augmentation de la température du fluide. Un accumulateur de dilatation thermique est fixé sur le dessus du boîtier du registre pour permettre la dilatation du fluide lors de son échauffement. Cet accumulateur évite une montée dangereuse de la pression lorsque le fluide se dilate.
Selon la taille du bâtiment, il peut y avoir plusieurs centaines de registres. Chaque amortisseur reposerait sur le sol et serait fixé aux chevrons soudés dans une poutre transversale en acier.
Lorsque le bâtiment commence à trembler, les amortisseurs se déplacent d'avant en arrière pour compenser la vibration du choc. Lorsqu'il est magnétisé, le fluide MR augmente la force que les amortisseurs peuvent exercer.
