Recentemente è stato proposto un nuovo dispositivo meccanico, chiamato Inerter, costituito da un volano collegato a due terminali che, sfruttando l¿effetto di amplificazione della massa inerziale (inertanza), sviluppa una forza proporzionale alla massa amplificata e alla accelerazione relativa tra i terminali. La principale caratteristica dell¿Inerter risiede nel fatto che la massa amplificata equivalente può essere anche di due ordini di grandezza più grande di quella gravitazionale del dispositivo.
La ricerca s¿inquadra nel tema del controllo passivo delle vibrazioni di strutture eccitate alla base. Tra le strategie il sistema TMD, tipicamente lineare e realizzato attraverso una massa ausiliaria, una molla e uno smorzatore viscoso, ha ricevuto negli ultimi anni una notevole attenzione dovuta agli indiscutibili vantaggi che offre, come il funzionamento e la manutenzione, l¿affidabilità e l¿efficacia, e i bassi costi d¿implementazione. L¿isolamento alla base è una strategia ben nota e matura per ridurre le vibrazioni di edifici multipiano, ma può incontrare importanti limitazioni tecniche come la larghezza del giunto sismico necessario per consentire i grandi spostamenti laterali e l¿impraticabilità nel caso di edifici medio-alti a causa della loro flessibilità.
L¿obiettivo della ricerca in corso è studiare una nuova strategia di controllo strutturale che combini i vantaggi dell¿isolamento alla base a quelli di un sistema TMD innovativo denominato in letteratura TMDI che prevede l¿uso di dispositivi Inerter. I risultati della ricerca, essendo rivolta alle applicazioni dell¿Ingegneria Civile dove, a differenza dell¿Ingegneria Meccanica, le specificità e le potenzialità del dispositivo Inerter sono ancora poco esplorate, hanno evidenziato che le dimensioni fisiche (effetto scala) ne possono condizionare il comportamento non lineare, l¿applicabilità e l¿efficacia. La ricerca si propone di indagare l¿effetto scala mediante test dinamici su due prototipi d¿Inerter.
L¿obiettivo del progetto di ricerca è di contribuire all¿avanzamento dello stato dell¿arte nel campo del controllo passivo delle vibrazioni di strutture eccitate alla base mediante un sistema TMD innovativo, denominato TMDI [1-2], che prevede l¿uso di dispositivi Inerter [3]. In particolare, l¿obiettivo è studiare una nuova strategia di controllo strutturale che combini i vantaggi dell¿isolamento alla base a quelli di un sistema TMDI. I risultati della ricerca in corso, essendo rivolta alle applicazioni dell¿Ingegneria Civile dove, a differenza dell¿Ingegneria Meccanica, le specificità e le potenzialità del dispositivo Inerter sono ancora poco esplorate, fanno prevedere che le dimensioni del dispositivo Inerter (effetto scala) ne possono condizionare il comportamento non lineare, l¿applicabilità e l¿efficacia. La ricerca che si propone è da ritenersi innovativa nel panorama sia nazionale sia internazionale ed è promettente per i risultati attesi.
Il dispositivo Inerter, applicato per la prima volta per aumentare le prestazioni delle sospensioni dei veicoli [4], può essere di tipo: meccanico (a pignoni e cremagliere o a viti e sfere [5]), idraulico [6] ed elettromagnetico [7]. Tra queste tipologie, nell¿Ingegneria Civile, si preferiscono gli Inerter passivi poiché non richiedono, per il loro funzionamento, l¿apporto di energia esterna. La principale caratteristica del dispositivo Inerter risiede nel fatto che è in grado di generare una massa inerziale anche due ordini di grandezza più grande di quella gravitazionale del dispositivo. Questa caratteristica rende particolarmente interessante l¿utilizzo dell¿Inerter nel controllo passivo delle vibrazioni insieme ai sistemi TMD. Infatti, aggiungendo a un TMD convenzionale (massa ausiliaria piccola) un dispositivo Inerter (massa gravitazionale piccola ma inerziale equivalente grande) è possibile ottenere un TMDI a elevato rapporto di massa inerziale. Questo sistema innovativo riesce a unire le caratteristiche positive di un TMD convenzionale, la leggerezza, con quelle di un TMD non convenzionale [8], la maggiore efficacia e robustezza dovuta all¿elevato rapporto di massa raggiunto. Pertanto, l¿utilizzo del sistema innovativo TMDI per ridurre gli spostamenti nelle strutture isolate alla base presenta notevoli potenzialità poiché permette di risolvere le limitazioni che diversi autori evidenziano in Letteratura nell¿utilizzo di sistemi a masse accordate di tipo convenzionale. Infatti, sfruttando le caratteristiche dell¿Inerter non è necessario che la massa ausiliaria sia grande ma, al limite, può anche essere nulla (configurazione denominata in letteratura TID [1]), senza perdere l¿efficacia e la robustezza del sistema di controllo. Inoltre, è stato dimostrato in [2] che il TMDI rispetto ai TMD di uguale massa è più efficace e robusto anche nel caso di terremoti near-fault.
Le ricadute, dal punto di vista applicativo, riguarderanno la possibilità di proporre nuovi sistemi di controllo passivo leggeri a elevate prestazioni realizzati con sistemi d¿isolamento convenzionali e TMD innovativi che utilizzano l¿Ineter (TMDI) che possano ridurre lo spostamento nel sistema d¿isolamento senza aumentare le accelerazioni assolute nella struttura non solo nei terremoti di tipo far-field, ma anche nel caso di terremoti near-fault e long-period. Infine, la proposta di utilizzare sistemi TMDI per limitare gli spostamenti può essere estesa anche alle strutture isolate esistenti, con il vantaggio, aggiungendo sistemi di controllo leggeri, di non aumentare significativamente i carichi gravitazionali.
1. Laurentiu M, Agathoklis G (2014). Optimal design of a novel tuned mass-damper-inerter (TMDI) passive vibration control configuration for stochastically support-excited structural systems. Probabilistic Engineering Mechanics; 38:156-164
2. Pietrosanti D, De Angelis M, Basili M (2017). Optimal design and performance evaluation of systems with Tuned Mass Damper Inerter (TMDI). Earthq. Eng. Struct. Dyn., 46(8):1367-1388
3. Smith MC (2002). Synthesis of mechanical networks: The Inerter. IEEE Trans Autom Contr; 47-10:1648-1662
4. Smith MC, Wang FC (2004). Performance benefits in passive vehicle suspensions employing inerters. Vehicle system dynamics; 42(4), 235-257
5. Papageorgiou C, Smith MC (2005). Laboratory experimental testing of inerters. CDC-ECC-05. 44th IEEE Conference on. 3351- 335
6. Wang FC, Hong MF, Lin TC (2010). Designing and testing a hydraulic inerter. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of mechanical Engineering Science; 225 (1): 66-72
7. Nakamura Y, Fukukita A, Tamura K, Yamazaki I, Matsuoka T, Hiramoto K, Sunakoda K. (2014). Seismic response control using electromagnetic inertial mass dampers. Earthq. Eng. Struct. Dyn.; 43 (4): 507-527
8. Reggio A, De Angelis M. (2015). Optimal energy-based seismic design of non-conventional Tuned Mass Damper (TMD) implemented via inter-story isolation. Earthq. Eng. Struct. Dyn.; 44(10): 1623-1642