Tecnologia ISAAC: come funzionano gli active mass damper?

Tutte le strutture, dalle villette a schiera delle periferie cittadine ai sempre più alti grattacieli dei distretti finanziari dai viadotti autostradali fino ai ponti sospesi più lunghi al mondo, sono soggette a vibrazioni di varia natura ed entità. La prima cosa che ci viene in mente quanto pensiamo ai fenomeni di oscillazione che interessano le strutture sono senza dubbio i terremoti.

L’azione di un terremoto, tuttavia, non è l’unico fenomeno che può indurre fenomeni significativi di vibrazioni. Si pensi ad esempio al vento che ha un effetto estremamente importante su strutture alte e snelle, oppure alle vibrazioni indotte dal traffico di trasporti pesanti come camion o treni, problema ben noto a chi vive in prossimità di una linea metropolitana in una grande città.

Le ragioni, dunque, per ridurre le oscillazioni che interessano una struttura possono essere diverse e vanno dal confort all’interno degli ambienti, alla protezione di impianti vitali fino alla protezione degli elementi strutturali e alla prevenzione sismica in generale.

Active Mass Damper (AMD)

Un AMD (dall’acronimo inglese Active Mass Damper) è uno smorzatore attivo di vibrazioni, un dispositivo che nasce proprio dall’esigenza di eliminare, o ridurre, le oscillazioni a cui le strutture si trovano soggette. Si tratta di una massa oscillante, libera di muoversi in una o più direzioni, azionata da un attuatore meccanico in grado di generare forze elevate, installata su una struttura al fine di ridurne le oscillazioni in presenza di un’oscillazione indotta, per esempio, dall’azione sismica.

La forza generata dall’AMD dipende dalla lettura in tempo reale dei sensori accelerometrici installati in punti significativi della struttura e segue una legge di controllo definita in fase di progetto, che permette il raggiungimento delle performance di riduzione delle vibrazioni desiderate.

Per capirne meglio il principio di funzionamento dal confronto tra l’AMD e il suo cugino “passivo”, il TMD.

Il cugino “passivo”: il TMD

Il TMD (dall’inglese Tuned Mass Damper) è una massa oscillante in grado di scaricare delle forze sugli elementi strutturali sui quali viene ancorato tramite un collegamento molla-smorzamento.

Il TMD consente di “catturare” l’energia di movimento della struttura nell’intorno della sua frequenza di risonanza. Per lavorare con buona efficienza il TMD necessita di essere “tarato” in termini di massa e rigidezza in modo tale da “accoppiarsi” opportunamente con la frequenza di risonanza propria della struttura sulla quale è installato.

L’esempio sicuramente più famoso di TMD esistente riguarda il grattacielo Taipei101 in Taiwan, dove è stato installato un pendolo di 660 tonnellate dotato complessivamente di otto enormi smorzatori idraulici.

I vantaggi dell’Active Mass Damper

In questo senso il principale vantaggio che si ottiene nell’utilizzo di un Active Mass Damper rispetto a un Tuned Mass Damper è che il primo non richiede una progettazione ad-hoc per ciascuna struttura su cui deve essere applicato. Senza contare che in caso di danneggiamento della struttura stessa la frequenza propria può modificarsi nel tempo, rendendo l’azione del TMD meno efficace, arrivando ad annullarsi quasi totalmente per cambiamenti molto significativi nella dinamica dell’edificio.

Oltre alla grande flessibilità con cui un Active Mass Damper è in grado di adattarsi ai cambiamenti dinamici delle strutture, un altro grande vantaggio nell’utilizzo di questa tecnologia risiede nelle forze generabili a parità di massa installata. L’installazione di grandi masse in sommità alle strutture comporta notevoli problemi di natura progettuale e strutturale. Le forze generabili con un Active Mass Damper non dipendono dalla massa complessiva ma solo dalla natura dell’attuatore con cui la si movimenta.

Il primo Active Mass Damper sviluppato e testato da ISAAC antisismica, I-Pro 1, è dotato di una massa complessiva di 4 tonnellate (di cui 2.2 tonnellate di massa mobile e 1.8 tonnellate di massa fissa) e, grazie a un attuatore oleodinamico che lavora con pressioni fino a 280 bar è in grado di generare spinte orizzontali superiori a 20 tonnellate di forza.

Figura 2 – I-Pro 1 installato al Politecnico di Milano per i test di funzionamento

Un secondo AMD, sempre sviluppato all’interno dei laboratori di ISAAC antisismica, Electro-Pro20x, risponde all’esigenza di estrema semplicità di installazione in campo. Con una massa fissa ancorata alla struttura che varia tra i 100 e i 200 kg (a secondo della lunghezza complessiva) e una massa mobile che può essere regolata tra un minimo di 250 e un massimo di 1000 kg, può interamente essere assemblato direttamente nel luogo finale di installazione. L’attuatore è un motore elettrico lineare in grado di sviluppare forze orizzontali superiori ai 20 kN (2 tonnellate di spinta).

Figura 3 – Electro Pro 20x installato negli ISAAC Lab per i test di performance

La compattezza della soluzione ha permesso le prime applicazioni commerciali della tecnologia che, fino ad ora, a causa degli elevati costi e difficoltà tecniche, erano state possibili sono in linea puramente teorica.

Autore: Stefano Cii