Disspatori di energia a massa.
DISSIPATORI DI ENERGIA A MASSA

Le strutture progettate convenzionalmente possono essere danneggiate in modo significativo se l'energia indotta da un sisma ne supera la capacità dissipativa.
In questi ultimi anni, nell'ambito degli studi sulla resistenza delle strutture ai terremoti, si è sviluppata molto la tecnologia del controllo strutturale per mitigare le vibrazioni degli edifici causate dai movimenti del suolo.
Gli edifici isolati con tali dispositivi sono detti "strutture intelligenti", non soltanto delle semplici costruzioni, ma lavorano come veri e propri sistemi meccanici per adempiere alle loro funzioni primarie. Alla formazione della risposta sismica globale di edifici di grande altezza concorrono numerosi modi di vibrare, nel momento che questi possiedono olti gradi di libertà. Avendo individuato la frequenza naturale alla quale corrisponde il più elevato contenuto energetico è possibile dotare l'edificio di una ,assa supplementare con caratteristiche in rigidezza e smorzamento tale da assicurarle la armonizzazione a questa stessa frequenza.
Tali dissipatori vengono detti a massa armonizzata, mentre il metodo sul quale è basato il loro funzionamento è definito "sistema passivo" di controllo delle vibrazioni strutturali, dal momento che i dispositivi entrano instantaneamente in funzione non appena sono eccitati dalla loro particolare frequenza naturale . Ovviamente, per sistemi a molti gradi di libertà, non è possibile indicare indicare una sola frequenza come pericolosa , per cui si rende necessario progettare più masse armonizzate, con il risultato di ottenere sistemi complessi e di notevoli dimensoni, oltre che di appesantire molto la struttura.
Motivo per cui si è sviluppato un "sistema attivo" composto da un'unica massa, dotata di un meccanismo capace di adattarne la frequenza naturale all'input sismico.
Un limite a tale dispositivo è rappresentato dal fatto che è inevitabile definire, in fase di progetto, un campo di funzionamento finito per il meccanismo di attivazione. Se l'intensità dell'input esterno è tale da far si che questo limite venga superato, il dissipatore va fuori servizio, lasciando la struttura non protetta.
Questo problema è stato risolto favìcendo ricorso al metodo "semi attivo", che associa ad una massa un meccanismo di controllo attivo. Il dissipatore funziona normalmente su controllo attivo; quando, però l'input esterno supera il limite di servizio dell'attuatore, esso agisce come un sistema passivo.

DISSIPATORI A MASSA PASSIVA

Il dissipatore a massa armonizzata è formato da una massa di periodo proprio pari a quello fondamentale della struttura. Questo metodo sfrutta l'inerzia della massa addizionale per assorbire l'energia del sisma, così da diminuire le sollecitazioni strutturali.

- Dissipatori con massa sospesa a pendolo

Lo schema base di un tale dissipatore è rappresentato da una massa d'acciaio sospesa ad un telaio tramite funi d'acciaio. Il comportamento globale del sistema è, quindi, paragonabile a quello di un pendolo.
Il periodo di un pendolo dipende soltanto dalla lunghezza dei cavi e considerando che per edifici molto alti il periodo naturale del primo ordine può essere superiore a 4 secondi ne consegue che il periodo sarebbe troppo ingombrante in altezza venendo ad occupare diversi piani dell'edificio.
Per limitare l'altezza di tale pendolo a lungo periodo è possibile sospendere la massa smorzante in forma di pendolo multi stadio.
Così la massa risulta al centro di un telaio multiplo, nel quale i vari elementi componenti sono sospesi l'uno all'altro tramite cavi.

- Dissipatori a inerzia liquida armonizzata

Sfrutta l'inerzia di una massa fluida contenuta all'interno di vasche collocate sul tetto dell'edificio da proteggere sismicamente. E' possibile utilizzare direttamente l'acqua che si trova nei serbatoi di riserva idrica o dell'impianto di riscaldamento.Studi particolari hanno evidenziato che il dispositivo esaminato è in grado di controllare efficacemente le vibrazioni di una struttura, se viene progettato con criteri adeguati.

- Dissipatori a massa liquida accelerata

Consiste in due blocchi pistone - cilindro accoppiati, che vengono installati in un edificio in modo da armonizzare il movimento reciproco dei pistoni alla vibrazione strutturale.
Nel dissipatore di tipo diretto, un singolo tubo di piccolo diametro collega direttamente entrambi i cilindri; quando i pistoni sono forzati ad un movimento reciproco, nel tubo si genera un flusso oscillatorio ad alta velocità, che esercita una resistenza inerziale e, allo stesso tempo, viscosa sul sistema che vibra. Un simile dispositivo porta all'elongazione del periodo naturale, alla riduzione delle forze efficaci di eccitazione esterne ed inerziali ed alla restrizione dell'ampiezza del piccolo di risonanza della risposta.
Nel dissipatore a circolazione aperta, invece, la cavità dei cilindri è unita ad un serbatoio di liquido per mezzo di una valvola di controllo, che viene chiusa dalla pressione positiva nel cilindro. Il liquido spinto fuori dal cilindro è rimandato al serbatoio attraverso un lungo tubo di scarico. Il movimento dei pistoni dà origine ad un flusso unidirezionale intermittente nei tubi di scarico.

DISSIPATORI A MASSA ATTIVA

- Dissipatore attivo con massa sospesa

Il primo caso al mondo è stato realizzato in Giappone, un edificio in acciaio di dieci piani molto snello. Il sistema di assorbimento dell'energia è stato installato sul tetto, per ridurre attivamente le vibrazioni sotto eccitazioni non stazionarie, del tipo di vento e terremoti.
Dal suo completamento la struttura ha sperimentato molti terremoti durante i quali sono state registrate le risposte della struttura e del sistema di controllo. Sono state realizzate delle simulazioni dei dati registrati mediante analisi numeriche. Il confronto tra le osservazioni ed i risultati delle simulazioni indicano una buona corrispondenza, fatto che conferma la validità del metodo analitico impiegato e della modellazione dell'accoppiamento struttura sistema di controllo. 

- Dissipatore dinamico a massa attiva

Formato da un servomotore a corrente alternata che fa muovere, per mezzo di una vite senza fine, con massa aggiuntiva sostenuta da appoggi lineari. L'output del servomotore elettrico utilizzato come attuatore è scelto in modo da bilanciare la massa dell'assorbitore dinamico di vibrazione e la forza di controllo richiesta.

- Dissipatore a massa liquida attiva

Il meccanismo di supporto dei serbatoi è generalmente formato da appoggi multi strato in gomma, tipici dei sistemi di isolamento alla base; questi lavorano bene anche in condizioni operative severe, come in una installazione all'aperto. Permettono anche un'ampia deformazione elastica grazie alla loro bassa rigidezza in direzione orizzontale. Il periodo naturale degli appoggi è progettato in modo da essere uguale a quello dell'edificio, così da evitare attrito tra questi e la struttura. In diversi piani dell'edificio sono installati dei sensori per il rilevamento degli spostamenti e delle accelerazioni di risposta della struttura. Per l'attivazione della massa smorzante 
è previsto un attuatore idraulico, governato da un servomotore elettrico a corrente alternata. L'intero sistema è controllato per mezzo di un'unità centrale, destinata alla elaborazione dei stati registrati dalle strumentazioni ed alla regolazione dell'attuatore.

- Sistemi a tiranti attivi

Di solito sono composti da un insieme di tiranti precompressi collegati alla struttura. E da servomeccanismi elettro idraulici che ne controllano le tensioni di trazione.
I parametri fondamentali per il progetto del sistema a tiranti attivi sono la forza di controllo, lo spostamento e la velocità dell'attuatore, la corsa del cilindro ed il flusso richiesto dalla servovalvola idraulica; il flusso totale del fluido idraulico richiesto durante un evento sismico rappresenta la base per dimensionare il sistema di rifornimento idraulico.
Un motivo per preferire un tale meccanismo di controllo è da ricercare nel fatto che i tiranti sono spesso presenti nelle strutture; per cui il controllo a tiranti attivi può fare uso di elementi strutturali esistenti e minimizzare le aggiunte o le modifiche di un edificio già costruito.
Ovviamente è necessaria una certa manutenzione a lungo termine del sistema di controllo. Se non sono state soddisfatte tolleranze rigorose, l’usura può portare ad un degrado nelle prestazioni del sistema e perfino al suo fallimento.
La manutenzione ordinaria da effettuarsi con regolarità include ispezioni manuali e verifiche delle parti componenti il sistema.
 
DISSIPATORI A MASSA ATTIVA - PASSIVA

INTRODUZIONE

Il dissipatore a massa attiva garantisce un ampio effetto di controllo delle vibrazioni. Tuttavia, ai fini dell'efficenza economica e della funzionalità, non sembra pratico adottare un controllo attivo delle vibrazioni, anzi richiede un'attrezzatura impegnativa per l'attivazione ed una forte energia per premunirsi contro i terremoti di forte intensità.
Per far fronte ad una simile situazione è possibile progettare un dissipatore a massa attiva passiva (DMAP). Questo come un dissipatore a massa passiva (DMP) ha un'ottima capacità di controllare le vibrazioni dovute a forti venti oppure a terremoti di intensità medio bassa, però quando, durante un forte sisma, la forza esterna supera il limite di capacità degli attivatori e degli altri dispositivi, il DMAP commuta ad un modo passivo per scansare il carico eccessivo che sarebbe altrimenti applicato alle apparecchiature, e controlla la risposta dell'edificio come un DMP.
Nel momento in cui la forza in ingresso si placa rientrando nella capacità ammissibile di dispositivi, il DMAP ritorna al modo attivo (DMA), con più elevate prestazionidi controllo delle vibrazioni.

- Pendolo multi stadio con attuatore

Sistema che consiste in un pendolo con il suo dispositivo di azionamento installato al di sotto di esso. La massa smorzante è sistemata al centro di un telaio multiplo nel quale i vari elementi componenti sono sospesi l'uno all'altro tramite cavi. Ogni cavo è provvisto di un sistema di un sistema di regolazione della frequenza naturale che cambia la lunghezza effettiva di sospensione del cavper armonizzarsi all'input esterno. Il dispositivo di azionamento consistenti due servomototri a corrente alternata, in grado di guidare la massa nelle due direzioni.

- Dissipatore a massa collegata ad un pendolo

Ha un'efficienza più che doppia rispetto al corrispondente dispositivo passivo.

- Dissipatore a massa attiva-passiva con attuatori idraulici 

Per verificare tale dispositivo, è stato inserito in un edificio in acciaio a 6 piani, di periodo relativamente lungo, in modo da simulare il comportamento di una costruzione di grande altezza.
Il DMAP è stato installato all'aperto all'ultimo piano dell'edificio di prova, mentre la pompa usata come fonte di energia è stata sistemata al piano inferiore. Nel dispositivo di prova la massa superiore può muoversi in due direzioni, mentre quella intermedia soltanto lungo la direzione X.
Ciascuna massa in movimento è indipendentemente supportata da un meccanismo che permette un moto lineare ed è equipaggiata con molle di irrigidimento per permettere al DMAP di avere una funzione di controllo passivo delle vibrazioni.
 
- Dissipatore dinamico a massa attiva passiva

Sistema formato da una massa ausiliaria, supportata da appoggi in gomma laminata, e da attuatori azionati da servomotori a corrente alternata. La forza di controllo generata dai servomotori è trasmessa alla massa per mezzo di cinghie di distribuzione e di viti senza fine.
Il sistema descritto è in grado di controllare la risposta della struttura indipendentemente nelle due direzioni orizzontali di azioni dei servomotori.