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Amortisseur de masse accordé pour gratte-ciel

À propos de cette simulation

L'amortisseur de masse accordé pour gratte-ciel associe la dynamique des structures et le génie parasismique sur une table sismique 3D. À gauche se dresse un châssis de référence non protégé de 9 étages ; à droite se dresse une tour identique équipée de contreventements en X en acier, de paliers d'isolation de base optionnels en fondation et d'un amortisseur à pendule de masse accordé (TMD) doré géant inspiré de la sphère de 660 tonnes de Taipei 101. Lorsque le curseur de fréquence du séisme correspond à la fréquence propre de la tour f₀ = 1,20 Hz (Rapport de résonance f/f₀ = 1,00), la tour non protégée bascule violemment dans un balancement rouge à haute contrainte, tandis que le TMD doré oscille hors phase avec le toit pour absorber l'énergie cinétique et réduire le balancement de près de moitié.

Ce que les élèves peuvent explorer

  • Maintenez la fréquence du séisme à 1,20 Hz (résonance exacte f/f₀ = 1,00) et comparez la valeur de balancement du toit de la tour nue par rapport à la tour protégée.
  • Désactivez l'amortisseur de masse accordé (TMD) pendant la résonance pour voir les deux tours osciller identiquement dans le danger, puis réactivez le TMD pour observer la sphère dorée amortir le mouvement.
  • Activez les paliers d'isolation de base à la fondation de la tour de droite pour découpler le bâtiment des secousses du sol à haute fréquence.
  • Faites glisser la sphère TMD dorée latéralement avec votre souris ou votre doigt et relâchez-la pour voir comment le pendule transfère la quantité de mouvement avec les étages supérieurs.
  • Cliquez sur la table sismique ou sur l'une ou l'autre tour pour déclencher une impulsion de choc d'onde P soudaine et comparer la rapidité de stabilisation de chaque tour.

Objectifs d'apprentissage

  1. 1Expliquez pourquoi la résonance mécanique se produit lorsque la fréquence du sol sismique f correspond à la fréquence propre d'un bâtiment f₀.
  2. 2Décrivez comment un amortisseur de masse accordé (TMD) réglé sur f₀ oscille hors phase avec la structure pour dissiper l'énergie vibrationnelle.
  3. 3Comparez deux stratégies de protection sismique : les amortisseurs de masse accordés sur le toit par rapport aux paliers d'isolation de base à la fondation.
  4. 4Évaluez l'impact de la magnitude du séisme et du rapport de fréquence f/f₀ sur la dérive structurelle et la sécurité.

Questions fréquentes des enseignants

Comment un amortisseur de masse accordé (TMD) protège-t-il un gratte-ciel ?

Un amortisseur de masse accordé est un pendule lourd ou une masse montée sur ressort suspendue près du sommet d'un gratte-ciel et réglée sur la fréquence de balancement naturelle du bâtiment f₀. Lorsque le vent ou les ondes sismiques poussent le bâtiment vers la gauche, l'inertie fait que l'amortisseur retarde d'environ ~90° et tire vers la droite, annulant une grande partie du balancement.

Pourquoi la résonance (f / f₀ = 1,00) est-elle si dangereuse lors d'un séisme ?

Chaque bâtiment a une période de balancement naturelle déterminée par sa hauteur, sa masse et sa rigidité. Lorsque les ondes du sol poussent à ce rythme exact, chaque cycle ajoute de l'énergie en phase avec le balancement existant, amplifiant le déplacement du toit à des valeurs plusieurs fois supérieures au mouvement du sol lui-même.

Quelle est l'inspiration réelle de la sphère dorée dans la simulation ?

Taipei 101 à Taïwan abrite une célèbre sphère pendulaire en acier doré de 660 tonnes métriques suspendue entre les 87e et 92e étages. Visible pour les visiteurs, elle réduit le balancement du bâtiment dû aux typhons et aux séismes jusqu'à 40 %.

En quoi les paliers d'isolation de base fonctionnent-ils différemment d'un amortisseur de toit ?

Au lieu d'absorber le balancement au sommet, des isolateurs de base stratifiés en caoutchouc et en plomb se trouvent entre la fondation et le sol. Ils rendent le support flexible, déplaçant la fréquence propre du bâtiment en dessous de la bande d'énergie principale du séisme afin que le sol glisse en dessous tandis que la tour reste presque immobile.

Intégrer cette simulation

Placez-la dans votre ENT, votre blog ou le site de la classe — gratuitement.

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